Undele gravitaţionale reprezintă o modalitate complet nouă de a observa şi analiza unele dintre cele mai violente evenimente din Univers şi de a ne testa propriile limite de înţelegere a lumii înconjurătoare, conform Comitetului Nobel care a decis ca în acest an premiul pentru Fizică să fie decernat pentru detectarea acestui fenomen precum şi pentru conceperea şi perfecţionarea detectoarelor de unde gravitaţionale LIGO (SUA) şi Virgo (Italia).

Distincţia a fost împărţită între fizicianul german Rainer Weiss şi cercetătorii americani Barry C. Barish şi Kip S Thorne.

Undele gravitaţionale au fost observate pentru prima dată la 14 septembrie 2015. Aceste unde, a căror existenţă a fost preconizată de Albert Einstein în urmă cu un secol, au fost generate de coliziunea dintre două găuri negre de masă medie. A fost nevoie de 1,3 miliarde de ani pentru ca undele provenite din această coliziune să ajungă la detectorul LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) din SUA, propagându-se prin spaţiu-timp cu viteza luminii. Semnalul detectat a fost extrem de slab, însă această observaţie a anunţat zorii unei noi ere a astrofizicii. Undele gravitaţionale reprezintă o modalitate complet nouă de a observa şi analiza unele dintre cele mai violente evenimente din Univers şi de a ne testa propriile limite de înţelegere a lumii înconjurătoare, conform Comitetului Nobel.

Undele gravitaţionale sunt nişte vibraţii ale conţinutului spaţiu-timp care se propagă cu viteza luminii prin Univers, conform lui Albert Einstein, care a fost convins că nu va fi niciodată posibilă măsurarea acestor unde. Einstein a demonstrat că spaţiul nu este un vid în care se produc diferite fenomene cosmice, ci mai degrabă o ţesătură pe care a denumit-o spaţiu-timp, ce este deformată de gravitaţie. În Teoria Relativităţii Generale, Einstein a oferit o descriere detaliată a modului în care ar trebui să se comporte undele gravitaţionale. După detectarea primelor astfel de unde de observatorul LIGO, oamenii de ştiinţă au putut să verifice în sfârşit teoria lui Einstein. Celebrul fizician a avut, încă o dată, dreptate.

LIGO şi Virgo caută undele gravitaţionale urmărind modul în care acestea afectează textura spaţiu-timp: atunci când trece o astfel de undă, ea întinde spaţiul într-o direcţie şi îl strânge în alta, pe direcţie perpendiculară. Cele două observatoare folosesc interferometre pentru a detecta aceste mici fluctuaţii în spaţiu-timp. Un astfel de dispozitiv desparte în două o singură rază laser şi trimite ambele raze rezultate în direcţii diferite, perpendiculare însă una pe cealaltă (formând un "L").

Cele două raze rezultate străbat distanţe egale în cadrul experimentului, se lovesc de nişte oglinzi şi se întorc spre sursă. Dacă acest sistem experimental nu este perturbat de factori externi (în acest caz de undele gravitaţionale), ele sunt perfect aliniate la revenire. Însă intersectarea cu o undă gravitaţională poate modifica distanţa străbătută de laser, pe fiecare dintre cele două braţe aflate în unghi drept.

La fel ca şi lumina, gravitaţia se propagă prin spaţiu sub formă de unde, însă nu este o radiaţie. În cazul gravitaţiei, spaţiul însuşi este distorsionat, fiind întins şi strâns de undele gravitaţionale. Detectarea undelor gravitaţionale a necesitat măsurarea razelor laser proiectate pe o distanţă de 4 kilometri cu o precizie de ordinul a 1/10.000 din diametrul unui proton.

Descoperirile care confirmă existenţa undelor gravitaţionale deschid o nouă cale de a observa Universul. Spre exemplu, dacă vor fi detectate undele gravitaţionale generate de explozia primordială, Big Bang, acestea vor oferi noi informaţii despre modul de formare a Universului. Astfel de unde, extraordinar de puternice, se formează şi atunci când explodează stele în stadiul de supernove sau atunci când pulsează stele neutronice extraordinar de masive. Detectarea acestor unde poate oferi noi informaţii despre obiectele şi evenimentele cosmice care le produc.

Dovezile concrete ale existenţei undelor gravitaţionale deschid o nouă eră pentru discipline precum fizica sau astronomia. "Ţinând cont de faptul că undele gravitaţionale nu interacţionează direct cu materia (spre deosebire de radiaţia electromagnetică, spre exemplu), ele se propagă prin Univers nestingherite şi pot oferi o imagine de ansamblu asupra întregului cosmos", conform echipei LIGO. Astfel de unde "ar trebui să transporte informaţia nealterată cu privire la originea lor, spre deosebire de radiaţia electromagnetică care este distorsionată de-a lungul distanţelor de milioane de ani lumină pe care le străbate prin spaţiu".

Colaborarea din cadrul LIGO a fost răsplătită şi cu premiul Prinţesa de Asturias pentru Cercetare Ştiinţifică şi Tehnică, premiu decernat la jumătatea lunii iunie şi care a reprezentat pentru Rainer Weiss, Kip S. Thorne şi Barry C. Barish un fel de prefaţă a Nobelului.

Confirmare

Existenţa undelor gravitaţionale a fost confirmată printr-o nouă observaţie la 14 august, când cercetătorii de la LIGO şi Virgo au detectat undele rezultate din coliziunea a două găuri negre ce s-au aflat la distanţa de 1,8 miliarde de ani lumină de Pământ. Acest fenomen, denumit oficial GW170814, a fost observat simultan (ceea ce a constituit o premieră) de cercetătorii de la Virgo şi LIGO.

Observaţia din 14 august a.c. a reprezentat cel de-al patrulea astfel de eveniment detectat de LIGO.

Cele două găuri negre care s-au ciocnit au mase de aproximativ 31 de ori şi respectiv 25 de ori mai mari decât masa Soarelui. După fuziune, cele două au generat o gaură neagră de aproximativ 53 de mase solare (o parte din masa celor două a fost transformată în energie şi s-a propagat prin spaţiu sub forma undelor gravitaţionale). Cele două găuri negre care s-au ciocnit şi gaura neagră rezultată în urma ciocnirii sunt în aceeaşi categorie de masă cu găurile negre detectate anterior de LIGO.

Virgo şi LIGO au transmis alerte către alte 25 de observatoare, printre care şi telescoape în spectrul vizibil al luminii, care au fost îndreptate spre zona de provenienţă a semnalului. Faptul că acest semnal a fost detectat de Virgo şi LIGO concomitent a uşurat identificarea zonei din Univers de unde provine. Regiunea de cer în care s-a produs fenomenul GW170814 are doar 60 de grade pătrate, conform cercetătorilor din echipa Virgo, adică localizarea acestui fenomen este de 10 ori mai exactă decât ar fi fost posibil dacă undele ar fi fost detectate doar de LIGO.

Orientarea observatorului Virgo şi orientările celor două detectoare din cadrul LIGO, din Louisiana şi Washington, le-au permis oamenilor de ştiinţă să observe cum se propagă aceste unde gravitaţionale prin cele trei dimensiuni ale continuului spaţiu-timp - ceea ce oamenii de ştiinţă numesc polaritatea undelor gravitaţionale, conform lui Frédérique Marion, cercetător francez din cadrul observatorului Virgo.

"Aceasta a fost prima noastră oportunitate de a verifica această proprietate fundamentală a undelor gravitaţionale. Analiza semnalului detectat indică faptul că respectă nivelul de polarizare permis de teoria lui Einstein", a declarat el.

FOTO:(c) CALTECH HANDOUT/EPA

Reconfirmare

Reconfirmarea a venit în luna octombrie şi se bazează pe nişte observaţii realizate la 17 august când au fost identificate undele gravitaţionale rezultate din ciocnirea şi fuziunea cataclismică a două "cadavre stelare" superdense, cunoscute drept stele neutronice. Această descoperire oferă, printre altele, şi dovada că ciocnirile dintre stele neutronice reprezintă principala sursă de aur, platină şi alte elemente grele din Univers.

"Superlativele nu reuşesc să descrie această descoperire", susţinea Richard O'Shaughnessy, cercetător în cadrul proiectului pentru observarea undelor gravitaţionale LIGO. "Astronomia nu se va mai face la fel de acum înainte. Este fantastic", adăuga el pentru Space.com.

La 17 august 2017 cele două detectoare ale observatorului LIGO, ce sunt localizate în Louisiana şi respectiv Washington, au înregistrat un semnal care a durat aproximativ 100 de secunde - cu mult mai mult decât înregistrările care au durat fracţiuni de secundă în cazul coliziunilor dintre găuri negre. Calculele realizate de echipa LIGO au indicat faptul că undele detectate au fost produse în urma coliziunii dintre două corpuri cu mase între 1,1 şi 1,6 mase solare - adică cel mai probabil nişte stele neutronice. Spre deosebire de aceste cadavre stelare ultradense, găurile negre a căror coliziune a produs undele gravitaţionale detectate anterior aveau câteva zeci de mase solare.

O stea neutronică, rămăşiţa unui colaps gravitaţional produs în urma unei explozii în stadiul de supernovă, este unul dintre cele mai exotice obiecte din Univers. "O stea neutronică este cel mai apropiat obiect de o gaură neagră, fără să fie o gaură neagră", conform definiţiei anecdotice încercate de astrofizicianul Tony Piro, de la Observatories of the Carnegie Institution for Science din Pasadena, California. "O singură linguriţă din materia unei stele neutronice cântăreşte cât muntele Everest", explica el.

Observatorul de unde gravitaţionale Virgo a detectat de asemenea, la 17 august, undele gravitaţionale rezultate în urma coliziunii stelelor neutronice, eveniment denumit GW170817. Mai mult decât atât, Telescopul Spaţial Fermi Gamma-ray, aparţinând NASA, a detectat o explozie de radiaţii gamma - cea mai energetică formă a luminii - în aproximativ acelaşi timp şi provenind din aceeaşi direcţie din spaţiu.

Analiza informaţiilor din toate aceste surse a dus la identificarea sursei semnalului într-o mică regiune de pe cerul austral. Echipele care au realizat descoperirea au transmis informaţiile privind locaţia colegilor din întreaga lume, solicitându-le să îndrepte spre această zonă a cerului toate instrumentele de observaţie de care dispun, fie că este vorba de telescoape terestre sau spaţiale.

Această muncă de echipă a dat rapid rezultate. La doar câteva ore după detectarea undelor gravitaţionale, Piro şi colegii săi au observat sursa de lumină în spectrul vizibil care corespundea acestui fenomen, plasată la aproximativ 130 de milioane de ani lumină de Pământ, prin intermediul unui telescop de la Observatorul Las Campanas din Chile.

"Am văzut o sursă albastru-strălucitoare de lumină într-o galaxie din vecinătate - este pentru prima oară când sunt observate rămăşiţele strălucitoare ale unui fenomen de fuziune a două stele neutronice", a susţinut şi Josh Simon, de la Observatoarele Carnegie.

Apoi, aproximativ o oră mai târziu, cercetătorii care folosesc telescopul Gemini South, tot din Chile, au identificat aceeaşi sursă a undelor gravitaţionale în spectrul infraroşu al luminii. Alte echipe au studiat de asemenea acest fenomen pe diferite frecvenţe ale spectrului electromagnetic, de la unde radio la raze X.

Astfel cercetătorii au ajuns la concluzia că o parte din lumina observată în spectrul vizibil este de fapt strălucirea radioactivă a unor elemente grele, aşa cum este aurul şi uraniul, care au fost produse în momentul coliziunii dintre cele două stele neutronice. Această descoperire este la rândul său foarte importantă pentru că oamenii de ştiinţă ştiau cu certitudine doar originea elementelor chimice mai uşoare - hidrogenul şi heliul provin din Big Bang, iar celelalte elemente până la fier sunt create prin fuziune nucleară în interiorul stelelor - însă originea elementelor mai grele decât fierul nu era bine înţeleasă.

"Am demonstrat că elementele cele mai grele din Tabloul periodic, ale căror origini erau învăluite de mister până azi, provin din fuziunea stelelor neutronice", explica şi Edo Berger, de la Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) din Cambridge, Massachusetts. Berger coordonează o echipă de cercetători care a studiat acest fenomen prin intermediul Dark Energy Camera de la Cerro Tololo Inter-American Observatory, din Chile. "Fiecare astfel de ciocnire şi fuziune poate produce mai mult decât greutatea Pământului în metale preţioase aşa cum este aurul sau platina dar şi alte elemente rare pe care le găsim în telefoanele noastre smart", a adăugat el.

Conform cercetătorilor, evenimentul denumit GW170817, a produs o cantitate de aur şi uraniu echivalentă cu cel puţin 10 mase terestre.

Analiza fenomenului GW170817 a a dus şi la alte descoperiri importante. Spre exemplu, cercetătorii au putut confirma că undele gravitaţionale se deplasează, într-adevăr, cu viteza luminii, aşa cum susţinea teoria. În plus, oamenii de ştiinţă ştiu acum mai multe lucruri despre stelele neutronice.

Iar analiza fenomenului GW170817 este doar începutul. Spre exemplu, astfel de observaţii realizate prin multiple medii oferă oportunitatea calibrării distanţelor către diferite obiecte cereşti, conform lui Avi Loeb, astronom la Universitatea Harvard. Astfel de măsurători ar putea, teoretic, să-i ajute pe cercetători să măsoare rata de expansiune a Universului. Estimări ale acestei valori, cunoscute drept Constanta Hubble, variază în funcţie de modul în care au fost calculate - pornind de la fenomene de supernovă sau de la radiaţia cosmică de fond (lumina "fosilă" provenită din explozia primordială, Big Bang), conform lui Loeb.


China se dotează cu capabilităţi pentru identificarea şi studierea undelor gravitaţionale

Interesul enorm pentru ştiinţă reprezentat de fenomenul undelor gravitaţionale este exemplificat şi de faptul că Beijingul a anunţat încă din luna ianuarie că se dotează cu instrumente necesare detectării acestora. China va construi, în Regiunea Autonomă Tibet, la peste 5.000 de metri altitudine, telescoape capabile să detecteze undele gravitaţionale.

Construcţia primului telescop, Ngari 1, a început deja, la 30 de kilometri sud de oraşul Shiquanhe din prefectura Ngari. Aflat la altitudinea de 5.250 de metri, telescopul va detecta şi va colecta informaţii preţioase cu privire la undele gravitaţionale primordiale din emisfera nordică. Acesta va deveni operaţional până în anul 2021.

Cea de-a doua fază a proiectului vizează construcţia unei serii de telescoape purtând numele Ngari 2 amplasate la circa 6.000 de metri deasupra nivelului mării. Bugetul pentru cele două faze de ridicare a observatorului Ngari pentru detectarea undelor gravitaţionale este estimat la 130 de milioane yuani (18,8 milioane de dolari), menţionea Xinhua. Printre iniţiatorii proiectului se numără Institutul pentru Fizica Energiilor Înalte, Observatoarele Astronomice Naţionale şi Institutul pentru Microsisteme şi Tehnologia Informaţiei din Shanghai.AGERPRES/(AS - autor: Codruţ Bălu, editor: Mariana Ionescu, editor online: Irina Giurgiu)