To je još uvek samo plan, ali novi teleskop bi uskoro mogao da meri gravitacione talase. Gravitacioni talasi su nešto poput zvučnih talasa univerzuma. Nastaju, na primer, kada se crne rupe ili neutronske zvezde sudare.
Budući detektor gravitacionih talasa, Ajnštajn teleskop, koristiće najnoviju lasersku tehnologiju da bolje razume ove talase, a samim tim i naš univerzum. Jedna od mogućih lokacija za izgradnju ovog teleskopa je granični trougao Nemačke, Belgije i Holandije.
Leto 2017. bilo je izuzetno uzbudljiv dan za astronome: 17. avgusta tri detektora gravitacionih talasa registrovala su novi signal. Stotine teleskopa širom sveta odmah su usmerene na sumnjivu tačku porekla i tamo je zaista viđeno svetleće nebesko telo. Prvi put je detektovan sudar dve neutronske zvezde i optički i kao gravitacioni talas.
Neutronske zvezde su nešto veoma posebno u univerzumu: one su izgorele zvezde koje više ne emituju nikakvo vidljivo zračenje. Teži su nešto više od našeg Sunca, ali svoju masu stisnu u sferu prečnika manjeg od 20 km. Sila njihovog sudara je tolika da se atomska jezgra raskidaju, gigantske količine mase izbacuju i mogu se formirati teški atomi poput zlata.
„U poređenju sa masom neutronskih zvezda, ne stvara se mnogo zlata – samo nekoliko lunarnih masa“, objašnjava sa osmehom profesor Achim Stahl, astrofizičar sa Univerziteta RVTH u Ahenu.
„Ali istraživači su prilično sigurni da je većina zlata u svemiru nastala u takvim gigantskim eksplozijama. Dakle, zlatni prsten koji nosimo na prstu već je doživeo galaktičku istoriju.
Zahvaljujući detektorima gravitacionih talasa, već znamo više o sudarima neutronskih zvezda. Po galaktičkim standardima, ovo su veoma brzi procesi. U prošlosti, ako smo imali sreće, mogli smo da registrujemo rafale gama zraka koje su trajale manje od sekunde. Kada se crne rupe sudare, signal koji se može meriti trenutnim detektorima gravitacionih talasa je veoma kratak.
Signal prvog gravitacionog talasa izmerenog 2015. godine bio je dug nešto više od 0,2 sekunde. Takvi talasi nastaju kada ultra-teški objekti kruže jedan oko drugog u svemiru, a zatim se sudare.
Signal detektovan u leto 2017. bio je dug 100 sekundi, pa je odmah bilo jasno da ovo mora biti nešto novo. Ubrzo nakon što je gravitacioni signal prestao, zabeležen je rafal gama zraka; kasnije je primećen naknadni sjaj eksplozije u različitim opsegima talasnih dužina, a otkriveni su i tragovi teških elemenata kao što su zlato i platina.
Događaj je identifikovan kao sudar dve neutronske zvezde. Istovremeno posmatranje gravitacionih talasa i elektromagnetnih signala otvorilo je novo poglavlje u opservacionoj astronomiji. „U stvari, optički signal je bio odlučujući u pronalaženju zvezde na nebu“, objašnjava astrofizičar Stahl.
Vekovima je astronomija bila ograničena na posmatranje vidljivog zračenja. Sa boljim razumevanjem elektromagnetnog spektra, astronomi su dodali mnoge nove metode posmatranja, detektovali radio talase i značajno proširili znanje čovečanstva kroz proračune i simulacije.
Kada je Albert Ajnštajn postulirao svoju opštu teoriju relativnosti pre dobrih stotinu godina, takođe je došao na ideju da mogu postojati talasi koji nemaju nikakve veze sa elektromagnetnim spektrom. Slično zvučnom talasu, trebalo je da nateraju da se probni primerak na velikoj udaljenosti malo „klati“.
Velike ubrzane mase treba da šalju takve talase kroz svemir. Na Zemlji, međutim, kolebanje izazvano gravitacionim talasima je toliko slabo da je kretanje mnogo manje od prečnika atoma. Ipak, sada je postalo moguće meriti gravitacione talase. Ovo je nova era za astronome.
Ovo je omogućeno takozvanim laserskim interferometrima. Sastoje se od dva kraka sa ogledalima na krajevima. Laserski zrak ulazi u interferometar i deli se na razdelniku zraka u sredini.
Putuje do krajnjih ogledala u dva kraka i nazad do razdelnika zraka. Ako se položaj ogledala na kraju ruke promeni, vreme prolaska dotičnog laserskog zraka varira za malu količinu. Ova količina se može izmeriti upoređivanjem laserskog zraka sa pogođenog ogledala sa laserskim zrakom sa druge ruke interferometra gde ogledalo nije pomereno.
Preciznost ovog merenja u sadašnjim detektorima gravitacionih talasa je uvek zapanjujuća, čak i za fizičare: „Mi merimo na tačnost manju od jedne dvehiljaditi deo prečnika protona“, objašnjava profesor Stahl.
„Ironično je da nam je potrebna preciznost na skali najmanjih čestica koje su nam poznate da bismo otkrili najveće događaje u univerzumu, spajanje crnih rupa“, dodaje on.
Prvi pokušaji merenja gravitacionih talasa napravljeni su još 1960-ih. Međutim, tek sadašnja druga generacija laserskih mernih uređaja može da postigne ovu ekstremnu tačnost i sada je detektovala oko 100 sudara crnih rupa ili neutronskih zvezda.
Profesor Stahl je član zajednice nemačkog Ajnštajn teleskopa i trenutno radi na sledećoj generaciji detektora gravitacionih talasa. Merni uređaji ove treće generacije trebalo bi da budu deset puta osetljiviji od onih koji se trenutno koriste. Planirana opservatorija gravitacionih talasa nazvana je „Ajnštajn teleskop“ po osnivaču opšte teorije relativnosti.
„Želimo da ga koristimo da ispitamo gravitacione talase na području koje je hiljadu puta veće od onoga što je danas moguće u univerzumu. I onda bi trebalo da pronađemo znatno više izvora za koje sadašnji instrumenti nisu dovoljno osetljivi“, objašnjava astrofizičar . Ovo važi i za teže objekte koji emituju gravitacione talase na nižim frekvencijama.
Ajnštajn teleskop će se sastojati od tri ugnežđena detektora. Svaki od ovih detektora će imati dva laserska interferometra sa krakovima dugim 10 km. Da bi se zaštitila što više smetnji, opservatorija će biti izgrađena 250 m ispod zemlje.
Međutim, naučnici već razmišljaju mnogo dalje. „Ajnštajn teleskop će raditi zajedno sa novom, inovativnom generacijom opservatorija u elektromagnetnom spektru u rasponu od radija do gama zraka. To nazivamo astronomijom sa više glasnika“, kaže profesor Stahl, opisujući viziju.
„Pored ‘ušiju’ za gravitacione talase, imaćemo i ‘oči’ koje detektuju veoma različite signale. Oni će zajedno obezbediti direktan prenos kosmičkih događaja koje niko nikada ranije nije video.“
Do sada ste mogli nasumice posmatrati nebo i nadati se kratkom bljesku. U budućnosti, detektori gravitacionih talasa će raditi neprekidno i „slušati“ kada se pojavi signal. Ako nekoliko takvih detektora uhvati signal, njegov region porekla se može izračunati i drugi optički teleskopi uskladiti sa njim. Kao i kod sudara neutronske zvezde u leto 2017, tada će biti moguće nekoliko sistematskih merenja.
Naučnici se nadaju da će iz ovoga steći mnogo novih uvida, na primer, o ranom univerzumu ili o sudarima u kojima su nastali svi elementi teži od gvožđa.
Ovako složena merenja zahtevaju globalnu saradnju. Shodno tome, idejni dizajn detektora treće generacije se takođe razvija u SAD.
„Kosmički istraživač“ će formirati globalnu detektorsku mrežu sa Ajnštajn teleskopom. Evropljani su 2021. godine uključili Ajnštajn teleskop u mapu puta Evropskog strateškog foruma o istraživačkim infrastrukturama (ESFRI). ESFRI je osnovan 2002. godine da omogući nacionalnim vladama, naučnoj zajednici i Evropskoj komisiji da zajednički razviju i podrže koncept istraživačke infrastrukture u Evropi.
Svojim uključivanjem u ESFRI Mapu puta, Ajnštajn teleskop je ušao u pripremnu fazu. Budžet je procenjen na 1,8 milijardi evra. Očekuje se da će operacija koštati oko 40 miliona evra godišnje. Planirano je da izgradnja počne 2026. godine, a posmatranja bi trebalo da počnu 2035. godine.
Trenutno su u toku studije za odabir lokacije. Odluka se očekuje 2024. Trenutno se istražuju dva moguća lokaliteta: jedno na Sardiniji i jedno u Euregio Meuse-Rhine u graničnom trouglu između Nemačke, Belgije i Holandije. Prilikom procene lokacija, partneri u istraživanju moraju ne samo da uzmu u obzir izvodljivost izgradnje, već i da predvide obim do kojeg će lokalno okruženje uticati na osetljivost i rad detektora.
Projekat obećava niz koristi za dotični region: Veliki deo troškova od 1,8 milijardi će ići na mere izgradnje. Potrebno je tri puta deset kilometara tunela i dvanaest puta deset kilometara vakuumskih cevi, da navedemo samo dva primera. Značajan broj kompanija je već uključen u projekat.
Veliki tim već radi na stvarnoj mernoj opremi na raznim lokacijama. Pored Univerziteta RVTH u Ahenu, ovo uključuje i Fraunhofer institut za lasersku tehnologiju ILT u Ahenu. Tamo se trenutno razvijaju novi laseri bez kojih nova merenja ne bi bila moguća.
„Ono što ovde razvijamo za potencijalnu upotrebu u Ajnštajnovom teleskopu jedinstveno je po svom dizajnu i namenjeno je isključivo za merenje gravitacionih talasa“, potvrđuje menadžer projekta Patrik Baer iz Fraunhofer ILT, koji kao vođa istraživačke jedinice u zajednici Ajnštajn teleskopa predstavlja istraživačke grupe sa Fraunhofer instituta za lasersku tehnologiju ILT i za proizvodnu tehnologiju IPT, kao i katedre za lasersku tehnologiju LLT i za tehnologiju optičkih sistema na Univerzitetu RVTH Ahen.
„U pojednostavljenoj verziji, međutim, laserska tehnologija razvijena za ovu oblast primene takođe može biti od interesa za druge primene, na primer u kvantnoj tehnologiji. Ali stečeno znanje takođe može biti od pomoći za razvoj lasera u medicinskoj tehnologiji: talasna dužina od 2 µm je pogodan za razbijanje kamena u bubrezima i bešici, na primer.“
Konačno, to je ono što Fraunhofer ILT radi od svog osnivanja: praveći vrhunske lasere iz istraživanja prikladnim za industrijsku primenu.
Finansiranje još nije u potpunosti obezbeđeno. Profesor Stahl očekuje konačnu odluku u naredne dve godine. Prvo će krenuti planeri, zatim graditelji tunela i na kraju laserski fizičari. „Procenjujem da ćemo prva merenja moći da uradimo 2035. godine.
Šta fascinira istraživača poput Ahima Stala? „Sa gravitacionim talasima možemo da gledamo mnogo dalje u univerzum nego sa normalnim teleskopima“, objašnjava astrofizičar.
„U astrofizici, gledanje dalje u univerzum znači—pre svega—gledanje unazad u vremenu. Sa Ajnštajnovim teleskopom, primićemo signale iz vremena kada su formirane galaksije i prve zvezde. Ovo ide dalje nego što je moguće sa optičkim znači i čućemo kosmičke eksplozije uživo sa gravitacionim talasima pre nego što ih vidimo.“
Osetljiviji detektori Ajnštajnovog teleskopa će ranije „čuti“ signale i dati drugim teleskopima više vremena da se poravnaju. U prošlosti je bila više srećna koincidencija videti takav događaj. Sada su po prvi put moguća sistematska merenja. Sviće uzbudljiva vremena – i to ne samo za astrofizičare.
