Nakon 15 godina prikupljanja podataka u eksperimentu veličine galaksije, naučnici su prvi put „čuli“ neprekidni hor gravitacionih talasa koji talasaju naš univerzum — i to glasnije nego što se očekivalo.
Ovo revolucionarno otkriće napravili su naučnici sa Severnoameričke nanoherc opservatorije za gravitacione talase (NANOGrav) koji su pažljivo posmatrali zvezde zvane pulsari koji deluju kao nebeski metronomi. Novootkriveni gravitacioni talasi – talasi u tkivu prostor-vremena – daleko su najmoćniji ikad izmereni: oni nose otprilike milion puta više energije nego što su otkriveni jednokratni izlivi gravitacionih talasa iz crne rupe i spajanja neutronskih zvezda eksperimentima kao što su LIGO i Virgo.
Većina gigantskih gravitacionih talasa je verovatno proizvedena parovima supermasivnih crnih rupa koje se spiralno kreću ka kataklizmičkim sudarima širom kosmosa, izveštavaju naučnici NANOGrav u nizu novih radova koji se danas pojavljuju u The Astrophisical Journal Letters.
„To je kao hor, sa svim ovim supermasivnim parovima crnih rupa koji se zovu na različitim frekvencijama“, kaže naučnica NANOGrav Chiara Mingarelli, koja je radila na novim otkrićima dok je bila saradnik istraživač u Centru za računarsku astrofiziku (CCA) Instituta Flatiron (CCA) u Novom Iork Citi. „Ovo je prvi dokaz za pozadinu gravitacionog talasa. Otvorili smo novi prozor za posmatranje univerzuma.“ Kredit: Nacionalna naučna fondacija
Postojanje i sastav pozadine gravitacionog talasa – dugo teoretizirano, ali nikada ranije nije čuto – predstavlja riznicu novih uvida u dugotrajna pitanja, od sudbine supermasivnih parova crnih rupa do učestalosti spajanja galaksija.
Za sada, NANOGrav može da meri samo ukupnu pozadinu gravitacionog talasa, a ne radijaciju pojedinačnih „pevača“. Ali i to je donelo iznenađenja.
„Pozadina gravitacionog talasa je otprilike duplo glasnija od onoga što sam očekivao“, kaže Mingareli, sada docent na Univerzitetu Jejl. „To je zaista na gornjem kraju onoga što naši modeli mogu da stvore samo od supermasivnih crnih rupa.“
Zaglušujući volumen može biti rezultat eksperimentalnih ograničenja ili težih i obilnijih supermasivnih crnih rupa. Ali postoji i mogućnost da nešto drugo generiše moćne gravitacione talase, kaže Mingareli, kao što su mehanizmi predviđeni teorijom struna ili alternativnim objašnjenjima rođenja univerzuma. „Ono što je sledeće je sve“, kaže ona. „Ovo je tek početak.“
Dolazak do ove tačke bio je dugogodišnji izazov za NANOGrav tim. Gravitacioni talasi koje su lovili razlikuju se od bilo čega što je prethodno izmereno. Za razliku od visokofrekventnih talasa koje detektuju zemaljski instrumenti kao što su LIGO i Virgo, pozadinu gravitacionog talasa čine talasi ultra niske frekvencije. Za jedan porast i pad jednog od talasa mogle bi proći godine ili čak decenije. Pošto gravitacioni talasi putuju brzinom svetlosti, jedna talasna dužina može biti duga desetine svetlosnih godina.
Nijedan eksperiment na Zemlji nikada nije mogao da otkrije takve kolosalne talase, pa je tim NANOGrav umesto toga pogledao u zvezde. Oni su pažljivo posmatrali pulsare, ultra guste ostatke masivnih zvezda koje su postale supernova. Pulsari deluju kao zvezdani svetionici, ispaljuju snopove radio talasa sa svojih magnetnih polova. Kako se pulsari brzo okreću (ponekad stotine puta u sekundi), ti zraci se kreću nebom, pojavljujući se sa naše tačke gledišta na Zemlji kao ritmični impulsi radio talasa.
Pulsevi stižu na Zemlju kao savršeno tempirani metronom. Tajming je toliko precizan da kada je Džoselin Bel izmerila prve pulsarske radio talase 1967. godine, astronomi su pomislili da bi to mogli biti signali vanzemaljske civilizacije.
Kako gravitacioni talas prolazi između nas i pulsara, on odbacuje vreme radio talasa. To je zato što, kako je Albert Ajnštajn predvideo, gravitacioni talasi se protežu i sabijaju prostor dok se talasaju kroz kosmos, menjajući koliko daleko radio talasi moraju da putuju.
Tokom 15 godina, NANOGrav naučnici iz Sjedinjenih Država i Kanade pažljivo su merili impulse radio talasa iz desetina milisekundi pulsara u našoj galaksiji koristeći opservatoriju Arecibo u Portoriku, teleskop Green Bank u Zapadnoj Virdžiniji i Veri Large Arrai u Novom Meksiku. Nova otkrića rezultat su detaljne analize niza od 67 pulsara.
„Pulsari su zapravo veoma slabi radio izvori, tako da su nam potrebne hiljade sati godišnje na najvećim svetskim teleskopima da bismo sproveli ovaj eksperiment“, kaže Maura Meklaflin sa Univerziteta Zapadna Virdžinija, kodirektor NANOGrav Phisics Frontiers Centra. „Ovi rezultati su omogućeni zahvaljujući kontinuiranoj posvećenosti Nacionalne naučne fondacije (NSF) ovim izuzetno osetljivim radio opservatorijama.“
U 2020. godini, sa nešto više od 12 godina podataka, naučnici NANOGrav-a počeli su da vide nagoveštaje signala, dodatnog „zujanja“ zajedničkog za vremensko ponašanje svih pulsara u nizu. Sada, tri godine dodatnih posmatranja kasnije, akumulirali su konkretne dokaze o postojanju pozadine gravitacionog talasa.
„Sada kada imamo dokaze o gravitacionim talasima, sledeći korak je da koristimo naša zapažanja za proučavanje izvora koji proizvode ovo brujanje“, kaže Sara Vigeland sa Univerziteta Viskonsin-Milvoki, predsedavajuća radne grupe za otkrivanje NANOGrav.
Najverovatniji izvori pozadine gravitacionog talasa su parovi supermasivnih crnih rupa uhvaćenih u spiralu smrti. Te crne rupe su zaista kolosalne, sadrže milijarde sunačke mase. Skoro sve galaksije, uključujući naš Mlečni put, imaju bar jednog od behemota u svom jezgru. Kada se dve galaksije spoje, njihove supermasivne crne rupe mogu da se sretnu i počnu da kruže jedna oko druge. Vremenom se njihove orbite stežu dok gas i zvezde prolaze između crnih rupa i kradu energiju.
Na kraju, supermasivne crne rupe se toliko približe da krađa energije prestaje. Neke teorijske studije su decenijama tvrdile da crne rupe tada stanu na neodređeno vreme kada su međusobno udaljene oko 1 parsek (otprilike tri svetlosne godine). Ova teorija bliskog, ali bez cigare postala je poznata kao konačni problem parseka. U ovom scenariju, samo retke grupe od tri ili više supermasivnih crnih rupa dovode do spajanja.
Ipak, supermasivni parovi crnih rupa mogli bi da imaju trik u rukavu. Mogli su da emituju energiju moćnih gravitacionih talasa dok kruže jedan oko drugog dok se na kraju ne sudare u kataklizmičkom finalu. „Jednom kada se dve crne rupe približe dovoljno da se vide pomoću pulsarnih vremenskih nizova, ništa ih ne može sprečiti da se spoje u roku od samo nekoliko miliona godina“, kaže Luk Keli sa Univerziteta Kalifornije u Berkliju, predsedavajući NANOGrav-ove grupe za astrofiziku.
Čini se da postojanje pozadine gravitacionog talasa koju je pronašao NANOGrav podržava ovo predviđanje, potencijalno zaustavljajući konačni problem parseka.
Pošto se supermasivni parovi crnih rupa formiraju zbog spajanja galaksija, obilje njihovih gravitacionih talasa pomoći će kosmolozima da procene koliko su se galaksije često sudarale tokom istorije univerzuma. Mingarelli, postdoktorski istraživač Deborah C. Good sa CCA i Univerziteta Konektikat, i njihove kolege proučavali su intenzitet pozadine gravitacionog talasa. Procenjuju da stotine hiljada ili možda čak milion ili više supermasivnih binarnih crnih rupa naseljavaju univerzum.
Međutim, nisu svi gravitacioni talasi koje je otkrio NANOGrav nužno iz supermasivnih parova crnih rupa. Drugi teorijski predlozi takođe predviđaju talase u ultra-niskofrekventnom opsegu. Teorija struna, na primer, predviđa da su jednodimenzionalni defekti nazvani kosmičkim strunama možda nastali u ranom univerzumu. Ove žice bi mogle da rasipaju energiju emitujući gravitacione talase. Drugi predlog sugeriše da univerzum nije počeo sa Velikim praskom, već sa Velikim odskokom kao prethodnim univerzumom koji se urušio u sebe pre nego što se proširio nazad napolje. U takvoj priči o poreklu, gravitacioni talasi iz incidenta bi i dalje talasali kroz prostor-vreme.
Takođe postoji šansa da pulsari nisu savršeni detektori gravitacionih talasa za koje naučnici misle da jesu, i da umesto toga mogu imati neku nepoznatu varijabilnost koja iskrivljuje rezultate NANOGrav-a. „Ne možemo da odemo do pulsara i ponovo ih uključimo i isključimo da vidimo da li postoji greška“, kaže Mingareli.
NANOGrav tim se nada da će istražiti sve potencijalne doprinose novootkrivenoj pozadini gravitacionog talasa dok nastavljaju da prate pulsare. Grupa planira da razbije pozadinu na osnovu frekvencije talasa i porekla na nebu.
Srećom, NANOGrav tim nije sam u svojoj potrazi. Nekoliko radova objavljenih danas u saradnji sa teleskopom u Evropi, Indiji, Kini i Australiji izveštava o nagoveštajima istog pozadinskog signala gravitacionog talasa u svojim podacima. Kroz konzorcijum International Pulsar Timing Arrai, pojedinačne grupe objedinjuju svoje podatke kako bi bolje okarakterisale signal i identifikovale njegove izvore.
„Naši kombinovani podaci biće mnogo moćniji“, kaže Stiven Tejlor sa Univerziteta Vanderbilt, koji je ko-vodio novo istraživanje i trenutno predsedava NANOGrav saradnjom. „Uzbuđeni smo što otkrivamo koje će tajne otkriti o našem univerzumu.“
