Mândria lui Einstein: undele gravitaționale pe înțelesul tuturor

Undele gravitaționale au intrat pentru prima oară în istorie în 1916 sub forma unei teorii matematice dezvoltate de Einstein. De atunci, doar matematica a putut susține, ipotetic, această teorie. Ieri, însă, teoria a devenit realitate.

Undele gravitaționale au fost un mister pentru comunitatea științifică occidentală pentru fix 100 de ani. După ce au fost abandonate de însuși Einstein și considerate ca fiind imposibil de demonstrat, comunitatea științifică a reușit să îl contrazică pe unul dintre titanii ei, arătând că nedemonstrabilul este până la urmă real.

”Până în septembrie  2015, existența undelor nu s-a dovedit faptic. Descoperirile care au apărut acum se referă la ciocnirea dintre două găuri negre, două mase mari de materie care au interferat.” ne-a spus profesorul de fizică Sorin Nastasa. ”Undele gravitaționale, în teorie, sunt niște unde de tipul undelor electromagnetice” a mai continuat profesorul. ”Descoperirea acestor oameni de știință, realizare care probabil le va aduce și premiul Nobel, s-a făcut cu ajutorul unor aparate speciale care au observat rămășițele coliziunii acestor două găuri negre acum 1.3 miliarde de ani. Undele respective au posibilitatea unică de a modifica pe acolo unde trec spațiul și timpul.”

Așadar, în luna septembrie 2015, pe o planetă minusculă care orbita în jurul unui soare galben din hidrogen, în interiorul unor amplasamente științifice, cunoscute pe planeta noastră drept Advanced Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) sau Observatorul Undelor Gravitaționale echipat cu Laser Interferometru, sau în română (OUGLI), s-a captat o urmă extrem de slabă a ciocnii masive dintre două găuri negre, care a avut loc acum 1.3 miliarde de ani.

Urma acestei ciocniri, numită GW150914 de către cercetătorii de la LIGO a devenit astfel prima undă gravitațională detectată vreodată de umanitate. Această descoperire extraordinară este un imens triumf al științei și ne poate ajuta să înțelegem mai bine fenomenul care a stat în spatele Big Bangului.

Totuși ca să înțelegem mai bine fenomenul, e bine să explicăm ce anume cercetătorii speculează că s-a întâmplat acum 1.3 miliarde de ani:

Satul situat la doar 30 de km de București pe care să-l vizitezi în weekend. Aici se ardeau zilnic câte 200 de cuptoare

Ce înseamnă „înstrăinarea părintească”. Dacă vorbești aceste lucruri cu copilul tău, riști să fii sancționat

Două găuri negre gravitează una în jurul celeilalte. Ambele au un diametru de aproximativ 100 km. Una are o masă de 36 de ori mai mare decât a Soarelui, cealaltă are o masă 29 de ori mai mare. Acestea se învârt încet una în jurul celeilalte la un kilometru distanță ca apoi să accelereze bursc și să intre în coliziune generând acel Event Horizon de unde lucrurile nu o mai pot lua înapoi. De acum înainte sinteza dintre cele două este inevitabilă. Amestecul celor două găuri negre devine, brusc, violent perioadă în care cvadriliarde peste cvadriliarde de kilograme se pasează între cele două găuri negre, după care se lasă calmul. Într-o secundă o nouă gaură neagră mai mare se naște.

Numai în ultima cincime de secundă a acestei uniri, cele două găuri negre au aruncat în spațiu de 50 de ori mai multă energie pură decât a reușit tot restul Universului până acum când vine vorba de lumină, unde radio, raze X și gamma. E inutil de spus că în acea imensă încleștare titanică între doi poli de masă pură orice formă de viață nu ar fi supraviețuit. Chiar și așa, coliziunea și unificarea acestor două găuri negre a fost atât de intensă că până și după 1.3 miliarde de ani ”ecoul” acestui fenomen atinge planeta noastră sub o formă destul de puternică încât să poată fi detectat de LIGO.

Einstein a prezis în faimoasa sa lucrare ”Teoria Generală a Relativității” că masa deformează spațiul și timpul în jurul ei, iar gravitatea este efectul direct din spatele acestei distorsionări cauzate de masă în continuumul de spațiu și timp. Din cauza aceasta, de exemplu, planetele se învârt în jurul Soarelui. Iar asta nu pentru că există o forță care le face să se învârtă în jurul lui, ci pentru că masa Soarelui este atât de mare încât orice tentativă a unui obiect de o masă comparabilă să meargă direct spre el se va termina prin a-l ocoli, ca apoi să-l orbiteze. Deși Einstein a speculat existența undelor gravitaționale, omul de știință a devenit din ce în ce mai sceptic în privința acestora, ajungând într-un final să se debaraseze complet de acest concept de vreme ce nu puteau explica existența unor fenomene capitale precum Big Bang-ul.

Până la ultima descoperire făcută de LIGO, demonstrarea acestei teorii a întâlnit dificultăți mari. Matematica permitea, prin virtutea unor aproximări, să ofere dovada teoretică a existenței undelor gravitaționale, dar până anul trecut orice încercare de a le captura a rămas fără niciun rezultat.

Au mai fost tentative de urmărire a unor posibile unde gravitaționale, prin măsurarea semnalelor radio emanate de stele moarte precum pulsarii, raportate la distanța schimbătoare dintre aceștia. Totuși, rezultatele erau extrem de imprecise și nu demonstrau factual existența acestor unde.

În 2002, a avut loc înființarea laboratoarelor LIGO în Statele Unite. Unul în statul Washington și celălalt în Louisiana. Tehnica detectării acestor unde constă în construcția unui interferometru pe bază de laser. Acesta este atât de precis încât poate detecta interferențele gravitaționale ce pot ajunge la ordinul unei a mia parte din diametrul unui proton.

Practic, aparatul lansează o rază laser impărțită în două către două oglinzi separate și excepțional de precise pe o rază de câțiva kilometri. Raza laser este apoi reflactată înainte și înapoi de o sută de ori până când să fie receptată de un senzor. Dacă un camp gravitațional, precum cel al Pământului este unul normal, deci static, ambele raze laser sunt receptate cu exact aceeași parametri. Dacă o undă gravitațională lovește interferometrul, timpul și spațiul se vor modifica, scoțând cele două raze laser din tandem: o rază va fi receptată mai târziu decât cealaltă de către senzor.

Primele teste ale acestui sistem au avut loc în 2010, iar din păcate rezultatele au fost nule. Bruiajul cauzat de alte efecte naturale oferea numai alarme false pe care cercetătorii au învățat să le ignore. Totuși, din 2010 până astăzi, LIGO a avut parte de o serie de îmbunătățiri printre care se numărau o dublare a oglinzilor și o mai precisă calibrare a acestora, împreună cu o creștere de 75 de ori a puterii laserului. Aceste aduceri la zi au dat rezultate aproape imediat: norocul a făcut ca unda GW150914 să apară exact când interferometrul a fost adus la zi. Semnalul s-a făcut simțit prima oară la interferometrul din Louisiana ca la o suta parte dintr-o secundă să se facă simțit și la interferometrul din Washington. În termeni ”umani”, unda a lovit în același timp ambele locații. După ce fenomenul a fost înregistrat, s-a ajuns la concluzia că semnalul a venit de undeva din emisfera sudică a planetei, cercetătorii acum încercând să caute metode pentru a detecta mai precis sursa acestui fenomen.

Așa cum spuneam mai sus, acest fenomen este extraordinar, pentru că oferă omenirii posibilitatea să înțeleagă în detaliu ce se întâmplă în interiorul unei găuri negre, și de ce nu, să poată specula mai bine chiar și existența unor alte dimensiuni. Totuși, premiera absolută oferită de aceste unde gravitaționale este posibilitatea studierii Universului așa cum se afla el la 380 de mii de ani distanță de Big Bang, o perioadă extrem de apropiată de începutul Cosmosului așa cum îl știm.