Ce sunt undele gravitaționale, descoperirea premiată cu Nobel și gândită de Einstein

Premiul Nobel pentru Fizică 2017 i-a revenit unei echipe care a teoretizat ceea ce Albert Einstein bănuia, dar nu putea demonstra. Descoperirea istorică a fizicienilor deschide ușa unei noi ere a astrofizicii.

În 1916, Albert Einstein propunea, pentru prima dată, existenţa undelor gravitaţionale, dar nu avea dovezile necesare pentru a-și demonstra teoria. Acum i-au continuat alții cercetarea și au reușit să demonstreze.

Rainer Weiss, Barry Barish și Kip Thorne, fizicienii au teoretizat ceea ce a anticipat Einstein, sunt laureații premiului Nobel pentru Fizică de anul acesta. Ei au descoperit că între două găuri negre, undele gravitaționale ar putea fi detectate prin urmărirea fluctuațiilor în spațiu și timp. Problema undelor gravitaționale a pornit, însă, de la la Albert Einstein, ele fiind esențiale pentru teoria relativității a geniului.

Cei trei fizicieni au adus contribuții decisive și la perfecționarea detectorului LIGO (observator folosit în fizică  pentru a detecta undele gravitaționale cosmice și pentru a dezvolta observațiile gravitaționale, ca un instrument astronomic).

Deși în urmă cu un secol nu au fost teoretizate și nu li s-au acordat prea multă atenție, o dovadă indirectă a acestor unde a venit odată cu descoperirea unei stele pulsar de către alți doi fizicieni, care au primit Nobel în fizică în 1993. Cu toate acestea, abia în 2015 s-a confirmat pe deplin teoria lui Einstein, când echipa de cercetători au folost LIGO și au observat undele gravitaționale.

Ce sunt unde gravitaționale (pe înțelesul tuturor)

O undă gravitațională este o fluctuație în curbura spațiu-timp care se propagă ca o undă pe luciul unei ape. Radiația gravitațională apare când unde gravitaționale sunt emise dintr-un obiect sau de un sistem de obiecte care gravitează. Conceptul a fost propus în 1916 în baza teoriei relativității generale. În urmă cu aproximativ 100 de ani, Einstein a zis că în Univers ar exista unde gravitaţionale, care îl străbat de la un capăt la celălalt.

Până de curând, oamenii de ştiinţă nu au putut demonstra teoria cunoscutului fizician, asta până anul trecut, când o echipă de cercetători americani au anunțat prezența unor astfel de unde.

Undele gravitaționale au fost observate pentru prima dată la 14 septembrie 2015. Aceste unde au fost generate de coliziunea dintre două găuri negre de masă medie. A fost nevoie de 1,3 miliarde de ani pentru ca undele provenite din această coliziune să ajungă la detectorul LIGO din SUA și să se propage prin spațiu-timp cu viteza luminii.

Semnalul detectat a fost extrem de slab, însă această observație a anunțat zorii unei noi ere a astrofizicii. Undele gravitaționale reprezintă o modalitate complet nouă de a observa și analiza unele dintre cele mai violente evenimente din Univers și de a ne testa propriile limite de înțelegere a lumii înconjurătoare, conform Comitetului Nobel.

Atunci când două găuri negre supermasive se ciocnesc și fuzionează, undele gravitaționale rezultate transmit vibrația în Univers. Oamenii de știință au detectat undele gravitaționale care se propagă prin spațiu după o așa ciocnire. La fel ca lumina, gravitația se propagă prin spațiu sub formă de unde, însă nu este o radiație. În cazul gravitației, spațiul însuși este distorsionat, fiind întins și contractat de undele gravitaționale.

Einstein nu a putut demonstra direct existența undelor gravitaționale, deși crezurile sale erau logice. În Teoria Generală a Relativității, Einstein detaliază că spațiul nu este un vid, așa cum se credea, ci mai degrabă un material sau o țesătură cu patru dimensiuni ce poate fi trasă sau împinsă de obiectele cosmice care se deplasează prin ea. Aceste distorsiuni generate în spațiu-timp sunt adevărata cauză a atracției gravitaționale. El a bănuit că atunci când un obiect greu se deplasează prin spațiu-timp, se formează unde care însoțesc direcția de deplasare.

Cea mai simplă modalitate de a explica undele gravitaţionale este de a întinde o membrană de cauciuc în aer, fixată pe nişte stâlpi. Dacă pui un obiect greu, o bilă de bowling, de exemplu, pe această membrană, vei observa că bila generează o adâncitură. Dacă pui pe membrană şi o bilă de biliard, mai uşoară, observi că aceasta va fi atrasă spre adâncitura formată de bila mai grea și cade spre aceasta. Isaac Newton credea, cu câteva sute de ani înainte de Einstein, că gravitaţia presupune atracţia unui obiect mai mic exercitată de un obiect mai mare

„Acest avans marchează naşterea unui noi domeniu al astrofizicii, cu totul nou, comparabil cu momentul în care Galileo Galilei şi-a îndreptat pentru prima oară telescopul spre cer“, a declarat France Cordova, directoarea National Science Foundation din SUA, unul dintre finanţatorii laboratorul LIGO.

De ce sunt greu de detectat undele gravitaționale

Pământul este afectat de gravitația Soarelui și, într-o mică măsură de cea a lui Jupiter, care este semnificativ mai mare în sistemul nostru solar. Orice altă forță gravitațională de la alte stele îndepărtate, de la găuri negre sau de la alte galaxii este prea mică pentru a conta și puține sunt instrumentele care le poate sesiza și măsura.

De exemplu, într-un port cu multe bărci ancorate, valurile mării le fac pe acestea să se apropie și să se depărteze periodic una de cealaltă.  Undele gravitaționale determină același efect în toate corpurile din Univers. Gravitația trece prin orice.

Descoperirea undelor gravitaționale și, implicit, demonstrarea teoriei lui Einstein a fost posibilă cu ajutorul observatorului LIGO. Cercetătorii au construit două tuneluri lungi de patru km, perpendiculare unul pe altul, și au trimis raze laser prin fiecare. Undele gravitaționale au modificat dimensiunea acestor tuneluri, suficient de mult, încât laserele care le-au străbătut, și-au modificat proprietățile specifice luminii, ca polarizarea. Nu există un singur observator LIGO, ci sunt două, construite în părți diferite ale Americii: Louisiana și Washington.

Demonstrarea teoriei lui Albert Einstein, premiată cu Nobel în acest an, este printre cele mai importante și istorice descoperiri din domeniul fizicii. Undele gravitaționale sunt esențiale în înțelegerea Universului.