Undele gravitaționale din găurile negre verifică predicția lui Einstein

WASHINGTON — Tremurături în țesătura cosmică a spațiului și timpului au fost în sfârșit detectate, deschizând o nouă cale de explorare a universului.

Descoperirea istorică a acelor tremurături, cunoscute sub numele de unde gravitaționale, are loc aproape exact la un secol după ce Albert Einstein a postulat pentru prima dată existența lor. Cercetătorii de la Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, sau Advanced LIGO, au anunțat detectarea seminal pe 11 februarie, la o conferință de presă și într-o lucrare în Scrisori de revizuire fizică. Umflarea gravitațională a apărut la mai bine de 750 de milioane de ani lumină distanță, unde dansul de mare viteză a două găuri negre convergente a zguduit însăși fundația pe care se află planetele, stelele și galaxiile.

„Este prima dată când universul ne vorbește prin unde gravitaționale”, a spus directorul executiv al laboratorului LIGO, David Reitze, la conferința de presă.

Descoperirea devine imediat un candidat probabil pentru un premiu Nobel, și nu doar pentru că leagă un fundal îngrijit în jurul a zeci de ani de dovezi care susțin o predicție majoră a teoriei generale a relativității a lui Einstein din 1915. „Undele gravitaționale ne permit să privim universul nu doar cu lumină, ci și cu gravitație”, spune Shane Larson, astrofizician la Universitatea Northwestern din Evanston, Illinois. Undele gravitaționale pot expune detaliile sângeroase ale găurilor negre și ale altor fenomene extreme care pot” nu poate fi obținut cu telescoape tradiționale. Odată cu această descoperire, a început era astronomiei undelor gravitaționale.

Detectarea a avut loc pe 14 septembrie 2015, cu patru zile înainte de începerea oficială a observațiilor pentru observatorul nou modernizat. Lovirea aurului atât de repede trezește speranțe pentru o rafală iminentă de vederi.

Explozia trecătoare de valuri a sosit pe Pământ mult după ce două găuri negre, una de aproximativ 36 de ori masa Soarelui și cealaltă de aproximativ 29 de ori, s-au întors în spirală una spre cealaltă și s-au unit. Dacă Isaac Newton ar fi avut dreptate în privința gravitației, atunci masa celor două găuri negre ar fi exercitat o forță invizibilă care a tras obiectele împreună. Dar relativitatea generală susține că acele găuri negre au fuzionat deoarece masa lor a indentat țesătura spațiului și timpului (SN: 17.10.15, str. 16). Pe măsură ce găurile negre s-au apropiat de o groapă din ce în ce mai adâncă a spațiu-timpului, ele au agitat și acea țesătură, emițând radiații gravitaționale (sau unde gravitaționale, așa cum le numesc adesea oamenii de știință). Spre deosebire de tipurile mai cunoscute de valuri, aceste ondulații gravitaționale nu călătoresc „prin” spațiu; sunt vibrații ale spațiu-timpului însuși, care se propagă spre exterior în toate direcțiile cu viteza luminii.

Aproape fiecare instanță în care un obiect accelerează generează unde gravitaționale – ai produs unele slabe ridicându-se din pat în această dimineață. Advanced LIGO este reglat fin pentru a primi un tarif mai detectabil (și relevant din punct de vedere științific): valuri emise din regiuni în care o mulțime de masă este împachetată în spații mici și se mișcă foarte rapid. Aceste găuri negre se califică cu siguranță. Masa lor uriașă a fost împachetată în sfere de aproximativ 150 de kilometri în diametru. Până la momentul în care găurile negre au experimentat plonjarea lor finală unificatoare, se învârteau una pe cealaltă cu aproximativ jumătate din viteza luminii. Pe 14 septembrie, la 4:50 am, ora estului, undele gravitaționale emise de găurile negre în ultimele lor fracțiuni de secundă de independență au întâlnit cele două detectoare LIGO în formă de L.

Detectoarele LIGO din Hanford, Wash. și Livingston, La., proaspăt reactivate după cinci ani de îmbunătățiri, constau fiecare dintr-un laser puternic care se împarte în două fascicule perpendiculare, lungi de 4 kilometri. Când apele gravitaționale ale spațiu-timpului sunt calme, fasciculele se recombină la joncțiune și se anulează reciproc – jgheaburile undelor de lumină laser de 1.064 nanometri ale unui fascicul elimină complet crestele undelor celui de-al doilea fascicul.

Dar perturbarea gravitațională a perechii de găuri negre a distorsionat spațiu-timpul, strângând ușor un braț al detectorului în timp ce îl întinde pe celălalt (SN: 1/8/00, str. 26). Când fasciculele s-au recombinat, lumina nu se mai potrivea perfect. Detectoarele au simțit că acea creastă a ratat la cea mai mică distanță, aproximativ o miime din diametrul unui proton.

Instalațiile LIGO au înregistrat semnalul la doar 7 milisecunde una de cealaltă, indicând un impuls de viteză a luminii din spațiul adânc, mai degrabă decât o vibrație care se mișcă mai lentă de la un cutremur subteran sau o platformă mare care zboară de-a lungul autostrăzii. Fizicienii au folosit măsurătorile combinate pentru a estima o distanță de 750 de milioane până la 1,8 miliarde de ani lumină până la găurile negre. Cel puțin încă un detector, de preferință doi, ar fi necesar pentru a triangula locația precisă a găurilor negre de pe cer.

În timp ce întâlnirea a fost în pregătire de milioane de ani, doar ultimele două zecimi de secundă au produs unde gravitaționale cu intensitatea și frecvența necesare pentru detectarea de către Advanced LIGO. Acele două zecimi de secundă au spus o poveste. La început, găurile negre se învârteau între ele de aproximativ 17 ori pe secundă; până la sfârșit, a fost 75. Frecvența și intensitatea undelor gravitaționale au atins un vârf, iar apoi găurile negre s-au contopit. Spectacolul se terminase.

Combinând măsurătorile undelor cu simulări pe computer, oamenii de știință au stabilit că o pereche de găuri negre de 36 și 29 de găuri negre de masă solară a devenit o fiară de 62 de masă solară. Valoarea masei celor trei sori lipsă fusese transformată în energie (Einstein din nou, E=mc²) și dusă sub formă de unde gravitaționale. Puterea de ieșire în timpul acelei conversii masă-energie a depășit-o pe cea a tuturor stelelor din univers combinate.

Semnalul observat se potrivește aproape perfect cu ceea ce se așteptau fizicienii de la o fuziune a unei găuri negre. Ingrid Stairs, un astrofizician la Universitatea din Columbia Britanică, care nu este implicată în LIGO, spune că ea și colegii ei au fost „surprinși de cât de frumos a fost”. Tradus în sunet, semnalul semăna cu un huruit urmat de un ciripit. „A ieșit în evidență ca un degetul mare dureros”, spune Rainer Weiss, unul dintre arhitecții principali ai LIGO. „Nu ne așteptam la ceva atât de mare.” Weiss vizitase Livingston cu câteva zile înainte și aproape că a oprit detectorul pentru a rezolva unele probleme minore. Dacă ar fi făcut-o, „no-am fi ratat”.

În ciuda semnalului aparent fără îndoială, cercetătorii LIGO au efectuat o serie de teste statistice riguroase. Semnalul a supraviețuit. „Am mare încredere în echipă în ansamblu și în tot ceea ce au făcut cu datele”, spune Stairs.

Anunțul LIGO se încadrează între două centenare foarte relevante: introducerea de către Einstein a relativității generale (noiembrie 1915) și predicția sa a undelor gravitaționale (iunie 1916, deși a trebuit să rezolve matematica doi ani mai târziu). Russell Hulse și Joseph Taylor Jr. au câștigat Premiul Nobel pentru fizică în 1993 pentru că au dedus emisia undelor gravitaționale pe baza mișcării unui cadavru stelar numit stea neutronică și a unui însoțitor care orbitează strâns. Acum Advanced LIGO a încheiat afacerea cu prima măsurare directă.

Observatorul a realizat ceea ce predecesorul său, care a funcționat din 2001 până în 2010, nu a reușit din cauza unei actualizări de cinci ani care a sporit sensibilitatea cu cel puțin un factor de trei. Sensibilitatea crescută se traduce prin identificarea obiectelor mai îndepărtate: dacă zona de căutare a LIGO de prima generație include tot spațiul care ar putea încăpea într-o minge de baseball, Advanced LIGO ar putea identifica totul în interiorul unei mingi de baschet. Comparația cu obiectele de dimensiuni zilnice se termină aici. Gama avansată a LIGO se extinde până la 5 miliarde de ani lumină în toate direcțiile pentru a îmbina obiecte de aproximativ 100 de ori masa soarelui, spune liderul de proiect David Shoemaker de la MIT. Acea rază extinsă, plus o creștere suplimentară a sensibilității la frecvențele undelor asociate cu găurile negre, au permis detectarea istorică.

Această capacitate de a examina găurile negre și alte obiecte întunecate influente fără a le „vedea” efectiv cu lumină i-a încântat pe oamenii de știință de era undelor gravitaționale. Găurile negre înghită o parte din materie și lansează restul în jeturi puternice, împrăștiind atomi în interiorul și între galaxii; perechile de stele neutronice, de asemenea ținte ale Advanced LIGO, pot declanșa în cele din urmă explozii de raze gamma, printre cele mai strălucitoare și mai energice explozii cunoscute din univers.

Cu toate acestea, în timp ce influența acestor perturbatori cosmici este uneori vizibilă cu telescoapele tradiționale, obiectele în sine nu sunt. Undele gravitaționale oferă o sondă directă și, ca bonus, nu sunt împiedicate de gaz, praf și alți absorbanți cosmici așa cum o face lumina. „Se deschide o nouă fereastră în astronomie pe care nu am avut-o niciodată”, spune John Mather, un astrofizician laureat al Nobelului prezent la conferința de presă. Înainte de această descoperire, oamenii de știință nu observaseră niciodată o pereche de găuri negre orbitându-se una în jurul celeilalte. Un mare pas următor, spun oamenii de știință, este observarea unei supernove din apropiere sau ciocnirea stelelor neutronice atât prin intermediul undelor gravitaționale, cât și al luminii.

Astronomia undelor gravitaționale a început odată cu detectarea avansată LIGO, dar urmează multe altele. Oamenii de știință LIGO mai au trei luni de date de sortat din prima rundă de observare, iar analiza semnalului sugerează că evenimente similare ar trebui să aibă loc de mai multe ori pe an. În același timp, cercetătorii îmbunătățesc detectoarele, astfel încât să poată observa coliziunile stelelor neutronice și ale găurilor negre și mai departe. Observatorul ar trebui să fie din nou în funcțiune până la sfârșitul verii, spune Peter Fritschel, cercetător șef al detectoarelor LIGO.

Mai târziu în acest an, partenerii europeni ai colaborarii LIGO plănuiesc să repornească observatorul lor renovat de unde gravitaționale, Advanced Virgo, lângă Pisa, Italia, oferind un al treilea detector ultrasensibil crucial pentru identificarea surselor de unde gravitaționale. Detectoare similare sunt în lucru pentru Japonia și India.

Cercetătorii au proiectat LIGO pentru a identifica undele în punctul dulce pentru găurile negre convergente și stele neutronice, cu o frecvență variind de la zeci de herți la câteva mii. Dar, așa cum oamenii de știință folosesc telescoape radio și cu raze gamma pentru a sonda diferite frecvențe de lumină, fizicienii construiesc detectoare sensibile la o gamă de frecvențe ale undelor gravitaționale. Misiunea eLISA, un observator spațial format din trei sateliți miniaturali, va căuta valuri cu frecvențe sub 1 hertz atunci când se lansează în anii 2030. Trio-ul de sateliți ar trebui să fie capabil să rezolve găurile negre din universul timpuriu, precum și cele uriașe de milioane de ori masa Soarelui. Pe 22 ianuarie, un satelit conceput pentru a testa tehnologia eLISA s-a instalat pe orbită în jurul Soarelui, la aproximativ 1,5 milioane de kilometri distanță. „Avem tehnici de detectare la diferite frecvențe care devin toate viabile în aproximativ același timp”, spune Larson din Northwestern.

Rezultatul LIGO nu este relevant pentru afirmația din 2014 privind o observare a undelor gravitaționale, deoarece a fost anulată, de către oamenii de știință cu telescopul BICEP2 lângă Polul Sud (SN: 2/21/15, p. 13). BICEP2 și telescoapele similare vânează unde gravitaționale cu o frecvență mult mai mică, semnalând reverberații dintr-o fracțiune de secundă imediat după Big Bang numit inflație, când spațiul însuși s-a întins rapid. Deși nu sunt detectabile direct, aceste unde gravitaționale din era inflației ar trebui să fie codificate în cea mai veche lumină a universului, fundalul cosmic cu microunde.

Oamenii de știință pot detecta foarte curând acele arome ale undelor gravitaționale. Dar, deocamdată, se pot bucura de o descoperire de 100 de ani. „Aceasta a fost cu adevărat o imagine științifică”, a spus Reitze. „Am reusit. Am aterizat pe Lună.”