Međunarodni tim astronoma otkrio je slab signal gravitacionih talasa koji odjekuju kroz univerzum. Koristeći mrtve zvezde kao džinovsku mrežu detektora gravitacionih talasa, saradnja – nazvana NANOGrav – je bila u stanju da izmeri niskofrekventno zujanje iz hora talasanja prostor-vremena.
Ja sam astronom koji proučava i piše o kosmologiji, crnim rupama i egzoplanetama. Istraživao sam evoluciju supermasivnih crnih rupa koristeći Hubble svemirski teleskop.
Iako članovi tima koji stoji iza ovog novog otkrića još nisu sigurni, oni snažno sumnjaju da je pozadinski šum gravitacionih talasa koji su izmerili uzrokovan bezbrojnim drevnim događajima spajanja supermasivnih crnih rupa. Pulsari su mrtve zvezde koje emituju jake snopove zračenja i mogu se koristiti kao tačni kosmički satovi.
Gravitacioni talasi su talasi u prostor-vremenu uzrokovani masivnim ubrzanim objektima. Albert Ajnštajn je predvideo njihovo postojanje u svojoj opštoj teoriji relativnosti, u kojoj je pretpostavio da kada gravitacioni talas prođe kroz svemir, on čini da se prostor skuplja, a zatim povremeno širi.
Istraživači su prvi put otkrili direktne dokaze gravitacionih talasa 2015. godine, kada je opservatorija gravitacionih talasa laserskog interferometra, poznata kao LIGO, pokupila signal iz para crnih rupa koje se spajaju koje su putovale 1,3 milijarde svetlosnih godina da bi stigle do Zemlje.
NANOGrav saradnja takođe pokušava da otkrije prostorno-vremenske talase, ali na međuzvezdanoj skali. Tim je koristio pulsare, brzo rotirajuće mrtve zvezde koje emituju snop radio-emisije. Pulsari su funkcionalno slični svetioniku – dok se okreću, njihovi snopovi mogu da se kreću po Zemlji u pravilnim intervalima.
NANOGrav tim je koristio pulsare koji se rotiraju neverovatno brzo — do 1.000 puta u sekundi — i ovi impulsi se mogu meriti kao otkucavanje izuzetno preciznog kosmičkog sata. Kako gravitacioni talasi prolaze pored pulsara brzinom svetlosti, talasi će se vrlo malo širiti i sužavati rastojanje između pulsara i Zemlje, neznatno menjajući vreme između krpelja.
Pulsari su toliko precizni satovi da je moguće izmeriti njihovo otkucavanje sa tačnošću do 100 nanosekundi. To omogućava astronomima da izračunaju rastojanje između pulsara i Zemlje na 100 stopa (30 metara). Gravitacioni talasi menjaju rastojanje između ovih pulsara i Zemlje za desetine milja, čineći pulsare dovoljno osetljivim da otkriju ovaj efekat.
Prva stvar koju je NANOGrav tim morao da uradi bila je kontrola buke u svom detektoru kosmičkih gravitacionih talasa. Ovo je uključivalo šum u radio prijemnicima koje je koristio i suptilnu astrofiziku koja utiče na ponašanje pulsara. Čak i uzimajući u obzir ove efekte, pristup tima nije bio dovoljno osetljiv da otkrije gravitacione talase iz pojedinačnih supermasivnih binarnih crnih rupa. Međutim, imao je dovoljno osetljivosti da otkrije zbir svih masivnih spajanja crnih rupa koje su se desile bilo gde u svemiru od Velikog praska – čak milion preklapajućih signala.
U muzičkoj analogiji, to je kao da stojite u užurbanom centru grada i čujete tihi zvuk simfonije negde u daljini. Ne možete da izdvojite ni jedan instrument zbog buke automobila i ljudi oko vas, ali možete čuti zujanje sto instrumenata. Tim je morao da izdvoji potpis ove „pozadine“ gravitacionog talasa iz drugih konkurentskih signala.
Tim je uspeo da otkrije ovu simfoniju merenjem mreže od 67 različitih pulsara tokom 15 godina. Ako je neki poremećaj u otkucavanju jednog pulsara bio posledica gravitacionih talasa iz udaljenog univerzuma, svi pulsari koje je tim posmatrao bili bi pogođeni na sličan način. Tim je 28. juna 2023. objavio četiri rada koji opisuju svoj projekat i dokaze koje je pronašao o pozadini gravitacionog talasa.
Zvuk koji je pronašla saradnja NANOGrav nastaje spajanjem crnih rupa koje su milijarde puta masivnije od sunca. Ove crne rupe se okreću jedna oko druge veoma sporo i proizvode gravitacione talase sa frekvencijama od jedne milijarde herca. To znači da prostorno-vremenski talasi imaju oscilaciju svakih nekoliko decenija. Ova spora oscilacija talasa je razlog zašto je tim morao da se osloni na neverovatno tačno merenje vremena pulsara.
Ovi gravitacioni talasi se razlikuju od talasa koje LIGO može da otkrije. LIGO-ovi signali nastaju kada se dve crne rupe 10 do 100 puta veće mase Sunca spoje u jedan objekat koji se brzo okreće, stvarajući gravitacione talase koji osciliraju stotine puta u sekundi.
Ako zamišljate crne rupe kao kamerton, što je događaj manji, to vibrira brže i viši je visina tona. LIGO detektuje gravitacione talase koji „zvone“ u čujnom opsegu. Spajanja crnih rupa NANOGrav tim je pronašao „prsten“ sa frekvencijom koja je milijarde puta preniska da bi se čula.
Astronomi su dugo bili zainteresovani za proučavanje kako su se zvezde i galaksije prvi put pojavile nakon Velikog praska. Ovo novo otkriće NANOGrav tima je kao dodavanje još jedne boje – gravitacionih talasa – na sliku ranog univerzuma koji tek počinje da se pojavljuje, velikim delom zahvaljujući svemirskom teleskopu James Vebb.
Glavni naučni cilj svemirskog teleskopa Džejms Veb je da pomogne istraživačima da prouče kako su se prve zvezde i galaksije formirale nakon Velikog praska. Da bi to uradio, Džejms Veb je dizajniran da detektuje slabu svetlost neverovatno udaljenih zvezda i galaksija. Što je objekat udaljeniji, to je duže potrebno svetlosti da stigne do Zemlje, tako da je Džejms Veb zapravo vremenska mašina koja može da pogleda unazad više od 13,5 milijardi godina da bi videla svetlost prvih zvezda i galaksija u univerzumu.
Bio je veoma uspešan u potrazi, jer je pronašao stotine galaksija koje su preplavile svemir svetlošću u prvih 700 miliona godina nakon velikog praska. Teleskop je takođe otkrio najstariju crnu rupu u svemiru, koja se nalazi u centru galaksije koja je nastala samo 500 miliona godina nakon Velikog praska.
Ovi nalazi osporavaju postojeće teorije o evoluciji univerzuma.
Potrebno je mnogo vremena da se razvije masivna galaksija. Astronomi znaju da supermasivne crne rupe leže u centru svake galaksije i da imaju masu proporcionalnu njihovim galaksijama domaćinima. Dakle, ove drevne galaksije gotovo sigurno imaju odgovarajuću masivnu crnu rupu u svojim centrima.
Problem je u tome što su objekti koje je Džejms Veb pronašao daleko veći nego što trenutna teorija kaže da bi trebalo da budu.
Ovi novi rezultati NANOGrav tima proizašli su iz prve prilike astronoma da slušaju gravitacione talase drevnog univerzuma. Nalazi, iako primamljivi, nisu dovoljno jaki da bi tvrdili da je konačno otkriće. To će se verovatno promeniti, pošto je tim proširio svoju mrežu pulsara na 115 pulsara i trebalo bi da dobije rezultate iz ove sledeće ankete oko 2025. Kako Džejms Veb i druga istraživanja osporavaju postojeće teorije o tome kako su galaksije evoluirale, sposobnost proučavanja ere posle Veliki prasak korišćenjem gravitacionih talasa mogao bi biti neprocenjiv alat.
