Einstein, confirmarea finală – undele gravitaţionale

 

11 februarie 2016 a fost o zi în care s-a adăugat o pagină fundamentală în cartea de istorie a fizicii. Pentru prima oară au fost detectate direct undele gravitaţionale, prezise cu un veac şi câteva luni în trecut de Albert Einstein prin a sa Teorie generală a relativităţii. Avem de-a face nu numai cu un rezultat ştiinţific excepţional, ci şi cu o sfidare a imposibilului.

Meditaţi un pic numai la un singur aspect: pentru a obţine rezultatele comunicate acum un an, au trebuit să fie măsurate deformări ale structurii spaţiu-timpului echivalente cu circa o miime din diametrul unui proton. Sau, dacă preferaţi o altă comparaţie, este ca şi cum am măsura o variaţie echivalentă cu grosimea unui fir de păr a distanţei dintre Pământ şi cea mai apropiată stea de Sistemul Solar, care este de circa 4,2 ani lumină.

Şi totuşi… Vom vorbi ceva mai încolo despre metoda folosită pentru a detecta undele gravitaţionale. Dar înainte de aceasta, să facem cunoștință cu noua lume care ni s-a deschis odată cu anunţul din 11 februarie 2016, o zi istorică. Deşi unele pasaje vor fi un pic cam tehnice, să purcedem curajos la poveste.

14 septembrie 2015

Marco Drago, un cercetător în vârstă de 33 de ani, se afla la sediul Institutului Max Planck pentru Fizica Gravitaţiei, din Hanovra, Germania. Misiunea lui era aceea de a analiza datele transmise de către două dintre observatoarele pentru unde gravitaţionale LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), amplasate în SUA. Părea a fi una din acele plicticoase zile banale.

În timp ce discuta la telefon cu unul dintre colegii lui din Italia, Drago primeşte, la ora locală 11:53, un e-mail, un mesaj automat care avea să îi schimbe viaţa. În mesaj i se semnala că ambele observatoare pentru undele gravitaţionale LIGO din SUA au înregistrat un „eveniment”, care se produsese la ora 11:50:45.
Mesaje similare mai primise şi în trecut, dar de această dată semnalul era neobişnuit de clar şi de puternic, care i-a atras imediat atenţia. „Raportul semnal/zgomot avea valoarea 24, în timp ce de obicei avea valoarea 10”, avea să declare Drago mai târziu. Aşa cum bănuiţi deja, semnalul părea a fi produs de undele gravitaţionale detectate de către cele două observatoare.

 

Acestea sunt semnalele identificate de Drago. În primele două diagrame puteţi vedea semnale recepţionate de LIGO Livingston, respectiv LIGO Harford. Cu linie subţire este reprezentată predicţia teoretică, bazată pe teoria generală a relativităţii. În diagrama de jos avem o suprapunere a datelor colectate de către cele două observatoare. Datele de la LIGO Harford au fost deplasate cu şapte miimi de secundă pe axa timpului, pentru a ţine seama de faptul că undele gravitaţionale se deplasează cu o viteză finită, egală cu viteza luminii. Se poate remarca faptul că suprapunerea este aproape perfectă, ceea ce confirmă faptul că ambele observatoare au detectat acelaşi eveniment.

Reacţia lui Drago? Credeţi că a sărit în sus de bucurie? Nici pe departe nu a reacţionat în acest fel. Deşi semnalul recepţionat era clar şi puternic, Drago ştia foarte bine că există un sistem care are menirea de a amâna entuziasmul. În sistemele celor două observatoare de unde gravitaţionale se injectau, din când în când, semnale false, tocmai pentru a obliga cercetătorii la o analiză profundă a datelor. Numai câţiva dintre cercetători cunoşteau momentul injectării acestor semnale false.

Ca o paranteză, se mai înregistrase un semnal similar în 2010. Entuziasmul a fost mare şi imediat a fost pregătit pentru publicare un articol ştiinţific. Abia în ultimul moment cercetătorii au fost informaţi că nu a fost vorba decât despre un test. „Nimeni nu s-ar fi aşteptat la un semnal atât de clar, aşa că am presupus că este vorba despre o injectare”, avea să comenteze Drago.

A urmat o perioadă agitată, cercetătorul italian a trimis e-mail-uri către toţi cercetătorii LIGO, pentru a afla dacă cineva a injectat un semnal de test în sistem. Nu s-a primit niciun răspuns afirmativ. În mod oficial, pe 18 septembrie s-a declanşat procesul de analiză detaliată a semnalelor identificate de Drago. Dar asta este o poveste pe care o vom spune ceva mai încolo.

Deocamdată, să ne întoarcem în timp, în anul 1915, când Einstein publica teoria generală a relativităţii.

Teoria

Drumul parcurs de Einstein până la publicarea, pe 2 decembrie 1915, a articolului „Die Feldgleichungen der Gravitation” („Ecuaţiile de câmp ale gravitaţiei”), în care se descriu fundamentele teoriei generale a relativităţii, a fost unul întortochiat, cu răsturnări de situație.

Foarte pe scurt: conform teoriei generale a relativităţii, gravitaţia este consecinţa directă a curbării spaţiu-timpului în prezenţa unei mase. Cu cât masa obiectului este mai mare, cu atât curbarea spaţiu-timpului este mai accentuată, rezultând o forţă gravitaţională mai intensă. În anumite condiţii, obiectele foarte masive ce se deplasează produc perturbări ale spaţiu-timpului, care se propagă cu viteza luminii, sub formă de unde gravitaţionale.

Cele mai „puternice” surse de unde gravitaţionale sunt reprezentate de fenomene cosmice catastrofice, cum ar fi ciocnirea a două găuri negre sau a două stele neutronice, colapsarea asimetrică a nucleelor stelelor mari pe timpul supernovelor, rotaţia stelelor neutronice care nu au o formă perfect sferică, sistemele binare alcătuite din stele neutronice sau găuri negre şi chiar „explozia” iniţială, de la naşterea Universului.

Un sistem binar alcătuit din două obiecte foarte masive generează unde gravitaţionale.

Pentru a adăuga puțină culoare la ultimele paragrafe, care au fost un pic cam seci, facem o mică digresiune, despre supărarea lui Einstein.
Primul fizician care a „prezis” existenţa undelor gravitaţionale a fost Albert Einstein, care le-a descris în lucrarea „Näherungsweise Integration der Feldgleichungen der Gravitation” („Integrarea aproximativă a ecuaţiilor de câmp ale gravitaţiei”), publicată pe 22 iunie 1916 în revista Academiei Prusace de ştiinţe. Totuşi, în timp, Einstein a ajuns să se îndoiască de existenţa lor. În 1936, împreună cu prietenul său Nathan Rosen, el elaborează o lucrare, care avea un titlu sugestiv „Do Gravitational Waves Exist?” („Există unde gravitaţionale?”), pe care o trimite către faimoasa Physical Review Letters (revistă care a găzduit pe 11 februarie 2016 şi articolul istoric privitor la detectarea undelor gravitaţionale). La întrebarea cuprinsă în titlul articolului, Einstein şi Rosen dau un răspuns hotărât negativ.

Spre deosebire de revistele germane în care Einstein îşi publica articolele, Physical Review supunea articolele primite unei examinări externe înainte de publicare. Se pare că examinatorul lucrării lui Einstein şi Rosen a fost fizicianul Howard Percy Robertson, care lucra în acea vreme la Universitatea Princeton, care a remarcat câteva greşeli, pe care le-a semnalat revistei americane. Redactorul şef al acesteia, John T. Tate, îi returnează textul lui Einstein însoţindu-l de următorul text politicos: „Dragă profesore Einstein, îmi iau libertatea de a vă returna lucrarea dvs. şi a dr. Rosen, referitoare la undele gravitaţionale, împreună cu observaţiile examinatorului. Mai înainte de a publica lucrarea dvs. aş fi foarte bucuros dacă aţi lua în considerare criticile pe care le-a făcut examinatorul [lucrării].”

Lui Einstein nu i-a căzut deloc bine scrisoarea lui Tate. A fost de-a dreptul supărat. Furios, îi trimite americanului Tate o scrisoare în… limba germană! „Dragă domnule, noi (dl Rosen şi eu) v-am trimis manuscrisul spre publicare şi nu v-am autorizat să îl arătaţi specialiştilor înainte de publicare. Nu găsesc niciun motiv pentru a discuta comentariile – în orice caz eronate – exprimate de expertul dvs. anonim. Din acest motiv, prefer să public lucrarea în altă parte. Al dvs. Einstein. P.S. Domnul Rosen, care se află acum în Uniunea Sovietică, m-a autorizat să îl reprezint în această problemă.”

Zis şi făcut. Einstein a trimis lucrarea, fără nicio modificare, către o altă publicaţie: Journal of the Franklin Institute. Să nu uităm, chiar orgolios şi furios, Einstein rămânea un adevărat om de ştiinţă. Astfel, mai apoi, el şi-a reanalizat manuscrisul şi a identificat erori în versiunea iniţială. Aşa că i-a schimbat atât titlul, care avea să devină „On Gravitational Waves” („Despre undele gravitaţionale”), cât şi concluziile: în noua versiune a lucrării, acestea îşi recăpătau dreptul la existenţă.

Există şi un epilog al acestei întâmplări. Deşi examinarea lucrării iniţiale l-a ajutat pe Einstein să îşi corecteze greşeala, el, orgolios, nu a mai trimis niciodată manuscrise spre publicare către Physical Review Letter. În prezent, revista care i-a refuzat lui Einstein publicarea manuscrisului este una dintre cele mai importante reviste de fizică din lume, în timp ce Journal of the Franklin Institute, revista care nu proceda la examinarea independentă a lucrărilor primite înainte de publicare, a dispărut din peisaj…

Să revenim acum la undele gravitaţionale

Până pe 14 septembrie 2015, ele şi-au avut confirmată existenţa doar indirect. Doi astrofizicieni, Russell Hulse şi Joseph Taylor, au studiat un sistem binar alcătuit din două stele neutronice, aflat la circa 21.000 de ani lumină distanţă de noi. Cei doi şi-au îndreptat atenţia asupra acestui sistem binar dintr-un motiv bine întemeiat. Deoarece cele două obiecte se rotesc în jurul centrului comun de masă, ele vor emite unde gravitaţionale.

Dacă am fi suficient de aproape, aşa s-ar vedea un sistem binar format din două găuri negre.

În urma acestui fenomen, sistemul binar va pierde constant o anumită cantitate de energie, care se traduce prin scăderea perioadei de rotaţie a celor două obiecte. Hulse şi Taylor au reuşit să măsoare această scădere a perioadei de rotaţie, iar rezultatele s-au suprapus perfect cu estimările teoretice. Rezultatele obţinute au fost publicate în 1979, iar în 1993 cei doi au fost răsplătiţi cu Premiul Nobel pentru această strălucită dovadă a existenţei undelor gravitaţionale.

Remarcaţi că totuși avem de-a face cu o confirmare indirectă. Deşi solidă, ea nu era suficientă. Exagerând foarte mult, ne putem gândi că există un fenomen necunoscut care să ducă la scăderea perioadei de rotaţie a sistemului binar. Pentru o confirmare definitivă mai trebuia parcurs un pas important: detectarea directă a undelor gravitaţionale.

Detectarea

Cum am putea detecta direct undele gravitaţionale? Aceasta este întrebarea pe care şi-au pus-o oamenii de ştiinţă. O primă tentativă practică de detectare a fost făcută către sfârşitul anilor 1960 de către fizicianul Joseph Weber. El s-a gândit că ar putea folosi drept detectoare de unde gravitaţionale nişte cilindri lungi de doi metri şi cu diametrul de un metru, construiţi din aluminiu ultrapur.

Calculele îi arătaseră că aceşti cilindri ar începe să vibreze sub acţiunea undelor gravitaţionale, comportându-se ca nişte uriaşe antene. Amplitudinea vibraţiilor era extrem de mică, având cam acelaşi ordin de mărime cu cel produs de agitaţia termică a atomilor de aluminiu din reţeaua cristalină a cilindrilor, dar Weber era convins că va putea separa semnalul util (cel produs de undele gravitaţionale) de zgomot (cel produs de agitaţia termică).

În 1969, şi mai apoi în 1970, Weber a anunţat cu entuziasm că a reuşit să detecteze undele gravitaţionale. Din nefericire, măsurătorile lui nu au putut fi replicate şi, mai mult, analizele ulterioare ale datelor colectate de Weber au ridicat serioase suspiciuni de manipulare a măsurătorilor.

 f
O reprezentare foarte simplificată a interferometrului folosit pentru detectarea undelor gravitaţionale.

O altă metodă de detectare directă a undelor gravitaţionale a fost propusă în 1962 de ruşii M. E. Gertsenshtein şi V. I. Pustovoit şi, independent de aceştia, în 1972 de către americanul Rainer Weiss. Cei trei au propus o metodă optică pentru detectarea undelor gravitaţionale. Deşi cam tehnică, ideea metodei este relativ simplă şi apelează la un interferometru, foarte asemănător cu cel folosit de Michelson şi Morley pentru a încerca să pună în evidenţă existenţa eterului. Reamintim că acest experiment a avut drept consecinţă apariţia teoriei restrânse a relativităţii.

Acum, imaginaţi-vă un fascicul laser ce este trimis către o oglindă semitransparentă, un „beam splitter”, care separă fasciculul laser în două fascicule: unul care îşi continuă nedeviat traseul, iar cel de-al doilea este reflectat la un unghi de 90 de grade. Fiecare fascicul va parcurge aceeaşi distanţă, după care fiecare dintre ele va întâlni câte o oglindă, care vor trimite fasciculele înapoi către oglinda semitransparentă. Aici cele două fascicule se vor „reuni” şi vor fi trimise către un fotodetector. Reunirea celor două fascicule laser produce fenomenul numit interferenţă.

Dacă cele două fascicule au parcurs exact aceeaşi distanţă, cele două unde electromagnetice vor fi în fază, iar intensitatea fasciculului care ajunge pe fotodetector va fi egală cu cea a fasciculului furnizat de sursa laser. Dacă cele două distanţe nu sunt egale, intensitatea fluxului luminos care va ajunge pe fotodetector va fi mai mică, până la o anulare totală. Acum este suficient să studiem felul în care variază semnalul recepţionat de fotodetector, pentru a putea măsura diferenţa dintre lungime parcursă de fiecare dintre cele două fascicule laser.

Deşi principial simplă, aplicarea în practică a interferometriei se izbeşte de obstacole cumplite, aproape de netrecut. Trebuie să vă imaginaţi cum se poate izola întreaga instalaţie de orice perturbaţie exterioară, cum ar fi cea produsă de paşii unui om care se plimbă la câţiva kilometri distanţă de instalaţie…

Deşi pe planeta noastră funcţionează mai multe interferometre destinate detectării undelor gravitaţionale, doar două dintre ele au furnizat semnalul mult aşteptat, cel care a fost identificat de Marco Drago, pe 14 septembrie. Este vorba despre detectoarele LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) amplasate la Hanford, statul Washington, şi la Livingston, statul Louisina. Ambele sunt operate de către cercetători de la Caltech şi MIT.

Ele au început să opereze încă din 2002, dar până în 2010 nu au obţinut niciun rezultat. Au fost modernizate pentru a le mări de patru ori sensibilitatea. Laboriosul proces s-a desfăşurat între 2010 şi 2015, iar, în septembrie 2015, cele două detectoare LIGO au reînceput să măsoare micile perturbaţii ale spaţiu-timpului produse de către undele gravitaţionale.

Acum să ne întoarcem la italianul cu care am început povestea…

Lungul drum către dovadă

Îl lăsasem pe Drago şi pe colegii lui în ziua de 18 septembrie 2015, în momentul în care tocmai se începuse analiza oficială a semnalelor din 14 septembrie. Cercetătorii trebuiau să descopere care ar putea fi sursa semnalului recepţionat de cele două detectoare LIGO. Aveau la dispoziţie rezultatele obţinute de teoreticieni, care simulaseră deja cum ar putea arăta semnalul produs de diferitele surse de unde gravitaţionale.

Marco Drago, cercetătorul în vârstă de 33 de ani care a identificat pentru prima dată undele gravitaţionale, la sediul Institutului Max Planck pentru Fizica Gravitaţiei, din Hanovra, Germania.

Datele se suprapuneau cel mai bine cu cel produs de către un sistem binar format din două găuri negre care tocmai au fuzionat. Acest tip de semnal are o formă caracteristică: cu puţin timp înainte de fuziunea celor două găuri negre, asistăm la o creştere din ce în ce mai rapidă a frecvenţei sale, pentru ca în momentul fuziunii să remarcăm şi o creştere semnificativă a amplitudinii. În funcţie de evoluţia în timp a semnalului, se pot deduce caracteristicile găurilor negre care l-au produs.

Deşi paşii ce trebuiau parcurşi ar putea să vă pară simpli, pentru analiza completă a datelor au fost implicaţi aproape 1.000 de cercetători din toată lumea, care au comunicat prin aproximativ 5.000 de e-mailuri! Trebuie să recunoaştem, a fost o muncă intensă. Astfel, s-a putut stabili că cele două găuri negre care au fuzionat aveau fiecare masa echivalentă cu 30 de mase solare, iar, în momentul fuziunii, energia undelor gravitaţionale generate era echivalentă cu cea rezultată în urma convertirii totale în energie a trei mase solare! Un fenomen cu adevărat cataclismic.

Concluzii

Acum când trebuie să încheiem povestea… de fapt, suntem abia la începutul unei alteia, pentru că ni s-au deschis alţi ochi către Univers. Până acum eram limitaţi la observarea lui numai prin intermediul radiaţiilor electromagnetice. Acum s-a deschis un nou capitol, cel al astronomiei bazate pe undele gravitaţionale. Vom înţelege mai bine Universul, iar în faţa noastră vor apărea noi mistere, care ne vor provoca să le dezlegăm.

Unul dintre ele este conţinut chiar în această primă detectare a undelor gravitaţionale. Cum s-a născut sistemul alcătuit din două găuri negre care au o masă atât de mare? Poate că vom avea răspunsul într-un viitor apropiat sau poate că va trebui să aşteptăm mult timp găsirea lui.

Citiţi şi:

Ecourile ce au fost descoperite în undele gravitaţionale sfidează în mod evident teoria relativităţii generale a lui Einstein

Curgerea câmpurilor plasmatice

Cosmosul fără Gravitație (I)
 

yogaesoteric
10 martie 2018