Projekat LIGO je objavio treći siguran prijem gravitacionih talasa iz dubine i prošlosti svemira. Kao i u prethodna dva slučaja signal je interpretiran kao poslednja faza spajanja dve masivne crne rupe.

Pošto je signal registrovan 4. januara ove godine ovaj događaj je dobio oznaku GW170104. 

Slika 1. Posmatrani signal GW170104 i njegova interpretacija. Videti tekst za detalje.
Izvor slike: https://dcc.ligo.org/LIGO-P170104/public .

Da bi razumeli šta je posmatrano možda je najlakše pogledati prvo treći panel odozgo na slici. Tu se vidi da su se u periodu od nešto malo više od desetine sekunde zatresla ogledala i na detektoru u Henfordu, u američkoj saveznoj državi Vašington (braonkasta linija), kao i na južnijem detektoru u Livingstonu, u državi Luizijani (plava linija). I na jednom i na drugom detektoru došlo je do periodičnog skraćivanja rastojanja između ogledala u jednom tunelu a do povećanja rastojanja između ogledala u tunelu koji je pod pravim uglom na prethodni.

Razlika te dve dužine u odnosu na identićne dužine tunela je neverovatno mala, reda velićine 1:10²¹.  To je kao da rastojanje od milion svetlosnih godina možemo da izmerimo sa tačnošću od jednog metra! Drugim rečima, LIGO je izmerio da je došlo do periodične promene rastojanja između ogledala u jednom tunelu i ogledala u drugom tunelu reda veličine jednog hiljaditog dela jednog protona! To su nezamislivo mali brojevi za fizičare ili nezamislivo veliki za astronome.

 Slika 2. LIGO laboratorija u Livingstonu, Luizijana. Na krajevima dva tunela pod pravim uglom nalaze se ogledala čija međusobna rastojanja se mere laserom. Prirodna gravitaconig talasa je da povećava jednu dužinu u isto vreme smanjuje onu pod pravim uglom, što je upravo i registrovano.
Izvor slike: http://aero-data.com/index.php/2016/02/11/ligo-detects-gravitational-waves/ .

 Registracija signala je međutim sigurna. LIGO fizičari i inžinjeri imaju pouzdana, dugotrajna merenja slučajnih „podrhtavanja“ svojih ogledala i ovaj signal je imao 13 puta veću jačinu. Procena je da je šansa da se radi o tako velikoj, a slučajnoj vibraciji merljiva tek da je posmatrano preko 70 hiljada godina umesto tek malo više od mesec dana.

Šta više, signal primećen u Livingstonu je imao obrnuti oblik od signala registrovanog u Hanfordu, što su fizičari i očekivali jer ova dva detektora imaju različitu orijentaciju svojih kraka.

Takođe, signal u Livingstonu je primljen 3 milisekunde ranije od onoga u Henfordu, što ukazuje na pravac iz koga je stigao. Na Slici 1 gore signal iz Livingstona je pomeren za 3 milisekunde tako da su dva signala u fazi i vidi se njihov gotovo identičan oblik. Takvi detalji daju fizičarima dodatno pouzdanje da se radi o realnom signalu a ne o slučajnim šumovima na dva detektora koji su hiljade kilometara jedan od drugog.

Važan detalj koji se ne vidi na trećem panelu je prikazan na prva dva: i u Henfordu i u Livingstonu, frekvenca signala se vrtoglavo povećala u tom kratkom intervalu, sa oko 30 puta u sekundi do preko 500 puta u sekundi! To je ista vrsta signala koja je primećena ranije, u slučaju događaja GW150914 i GW151226. Baš takvo povećanje frekvence talasa se očekuje kod spajanja dva masivna objekta koji se obrću jedan oko drugog i prilaze sve bliže i bliže, tako da se period njihove revolucije brzo smanjuje.

Ako smo ubeđeni u realnost ovih gotovo simultanih i identičnih signala pogledajmo sada kakva je njihova interpretacija. Kako je navodno Ajnštajn rekao u jednoj polemici sa Hajzenbergom, „Tek teorija odlučuje šta smo posmatrali!“ U ovom slučaju radi se baš o njegovoj Teoriji relativnosti.

Teorijska interpretacija je da se radi o poslednjoj fazi spajanja dve crne rupe, u orbiti jedna oko druge, koje emitovanjem ovih gravitaconih talasa gube orbitalnu energiju što dovodi do njihovog rapidnog približavanja i spajanja. Detaljan model kaže da radi o crnim rupama sa masama od 31 i 19 masa Sunca. Preciznost procene samih masa je procenjena na oko 25%.

Očekivani signal takvog spajanja je prikazan kao crna linija na trećem panelu Slike 1 gore. Na oko, slaganje je veoma dobro. Odstupanje teorijskog modela od signala dva detektora ja prikazano na četvrtom panelu Slike 1 (prvom odozdo). Statistika kaže da teorijski model objašnjava posmatrane signale sa sigurnošću od 90%.

Ukupna energija izračena u vidu gravitaconih talasa procenjena je na čitave dve mase Sunca! Masa konačne crne rupe nastale spajanjem procenjena je na oko 48,7 sunčevih masa. Procenjeno je takođe da se radi o događaju koji se dogodio u dalekoj galaksiji kada je svemir bio oko 1,18 puta manji nego sada, tako da je svetlost do nas putovala oko 2,2 milijarde godina.

I profesionalci i amateri mogu još jednom da skinu kapu LIGO timu, njihovom tehničkom umeću i rigoroznom profesionalizmu, koji su posle 40 godina istrajnih napora doveli do ove perfekcije. Međutim, što je najinteresantnije, ovo treće otkriće ukazuje na očekivani početak nove ere u astronomiji gravitacionih talasa.

Naime, u sva tri slučaja do sada radi se o spajanju crnih rupa koje imaju mase kao vrlo masivne zvezde. U jednu ruku to je očekivano, jer veće mase daju jači signal koji je lakše registrovati. Kako su međutim nastale tako masivne crne rupe? Ako se radi o ostatcima eksplozija supernovih onda zvezde koje su eksplodirale mora da su bile još masivnije, blizu granice najvećih poznatih zvezdanih masa. Takve zvezde, kao recimo Eta Karine na Sl. 3, aktivno gube masu kroz burnu aktivnost. Da bi takva zvezda opstala sa dovoljno velikom masom koja bi posle eksplozije kao supernova ostavila crnu rupu tako velikih masa kao što je registrovao LIGO, zahteva scenario nastanka i zvezdanu evoluciju koji su netrivijalni i nedovoljno istraženi. GW170104 je postavio novi zadatak astrofizičarima.

Slika 3: Eta Karine, nedaleka supermasivna zvezda čija masa je procenjena na oko 100-200 masa Sunca. Ova i slične zvezde aktivno gube masu kroz burne „zvezdane vetrove.“
Izvor slike: https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_most_massive_stars .

Alternativna hipoteza je da se ne radi o crnim rupama koje su nastale kroz eksploziju supernovih, već kroz slučajne fluktuacije u gustini ranog svemira. To je scenario takozvanih primordijalnih crnih rupa, za koje za sada nema nikakvog dokaza, za razliku od crnih rupa nastalih kroz supernova, za koje imamo solidne dokaze. Detekcija GW170104 daje astrofizičarima i kosmolozima kvantitavni ukazatelj i ograničenja za razvoj scenarija formiranja primordijalnih crnih rupa i njihovih svojstava. Grozničava teorijska aktivnost je u toku.

Drugo interesantno pitanje je kako su se dve crne rupe našle u paru? Po standardnom scenariju radi se o masivnoj dvojnoj zvezdi, u kojoj je prvo masivnija pa onda manje masivna komponenta eksplodirala kao supernova. Ako su obe ostavile crnu rupu za sobom, sa vremenom bi došlo do njihovog spajanja. LIGO GW170104 je međutim ukazao na dva moguća problema sa takvim scenarijom. Jedno je gore pomenuta teškoća da obe takve zvezde zadrže velike mase do eksplozije. Druga teškoća je da sa vremenom interkacija u bliskom zvezdanom paru dovodi do toga da su njihove ose rotacija paralelne jedna drugoj. Teorijska analiza GW170104 je međutim pokazala da je to malo verovatno (mada ne i nemoguće): veća je verovatnoća da se u ovom slučaju radilo o dve crne rupe čije ose ose rotacije nisu bile paralelne jedna drugoj. To znači da je u ovom slučaju verovatnije u pitanju spajanje dve crne rupe koje nisu evoluirale kroz dvojni zvezdani sistem, već su se „našle.“ Možda unutar zvezdanog jata gde je gustina zvezda veća? Ili se zaista radi o dve primordijalne crne rupe koje su sa nekom verovatnoćom nastale blizu jedna drugoj?

Prirodna pitanja niču jedno za drugim, tako da ovo treće otkriće izgleda daleko od potvrde nečega „što je već viđeno.“ Jedan od LIGO osnivača, Kip Torn, pre više od tri decenije je strpljivo objašnjavo kako  će detektori gravitacionih talasa od detekcije prerasti u novu tehnologiju za astrofiziku i kosmologiju koja će dovesti do otkrića fizičkih procesa i režima koje sada ne možemo drugačije da vidimo. Izgleda kao da smo ovim trećim otkrićem već zakoračili u tu novu fazu. 

Šta su gravitacioni talasi?

Izvori gravitacionih talasa

Šta kažu naši naučnici o detekciji gravitacionih talasa?

Tijana Prodanović i Dušan Mrđa o detekciji gravitacionih talasa

Ukratko o LIGO, opservatoriji koja je zabeležila gravitavcione talase