U veljači 2016., znanstvenici koji su radili u Laser Interferometer gravitacijsko-valnom opservatoriju (LIGO) ušli su u povijest kada su najavili prvo otkrivanje gravitacijskih valova. Od tog vremena dogodilo se višestruko otkrivanje i znanstvena suradnja između opservatorija - poput Napredne LIGO i Napredne Djevice - omogućavaju neviđenu razinu osjetljivosti i razmjenu podataka.
Ne samo da je prvi put otkrivanje gravitacijskih valova povijesno postignuće, već je i pokrenulo novu eru astrofizike. Stoga je malo čudo zašto su trojica istraživača, koji su bili glavni u prvom otkrivanju, dobili Nobelovu nagradu za fiziku za 2017. godinu. Nagradu su zajednički dobili Caltech profesori emeritus Kip S. Barish, zajedno s profesorom MIT-a emeritus Rainer Weiss.
Jednostavno rečeno, gravitacijski valovi su valovi u prostor-vremenu koji nastaju velikim astronomskim događajima - poput spajanja binarnog para crnih rupa. Prvo su ih predvidjeli prije više od jednog stoljeća Einsteinova teorija opće relativnosti, koja je ukazivala na to da će masivne uznemirenosti izmijeniti strukturu prostora-vremena. Međutim, tek su posljednjih godina dokazi o tim valovima primijećeni po prvi put.
Prvi signal otkrili su LIGO-ovi blizanci-opservatoriji - u Hanfordu, Washingtonu i Livingstonu, Louisiana - i pronašli crni krt udaljen 1,3 milijarde svjetlosnih godina. Do danas su izvedena četiri otkrića, a sve zbog spajanja parova crnih rupa. To se dogodilo 26. prosinca 2015., 4. siječnja 2017. i 14. kolovoza 2017., a posljednji su ih otkrili LIGO i detektor gravitacijskog vala Europske Djevice.
Za ulogu koju su igrali u ovom ostvarenju, polovica nagrade dodijeljena je zajednički Caltechu Barryu C. Barishu - Ronald i Maxine Linde profesor fizike, Emeritus - i Kip S. Thorneu, profesoru teorijske fizike Richard P. Feynmanu , Emeritus. Druga polovica dodijeljena je Raineru Weissu, profesoru fizike, emeritusu, sa Massachusetts Institute of Technology (MIT).
Kao što je predsjednik Caltech-a Thomas F. Rosenbaum - predsjednički stolica Sonja i William Davidow i profesor fizike - rekao je u nedavnoj izjavi za Caltech:
„Oduševljen sam i počastvovan što sam čestitao Kip-u i Barryju, kao i Rai Weissu sa MIT-a, na dodjeli jutros Nobelove nagrade za fiziku 2017. godine. Prvo izravno opažanje gravitacijskih valova od strane LIGO-a izuzetan je dokaz znanstvene vizije i upornosti. Kroz četiri desetljeća razvoja iznimno osjetljive instrumentacije - potiskujući kapacitet naših maštarija - sada smo u stanju uvidjeti u kozmičke procese koji su se prije otkrili. Doista je početak nove ere u astrofizici. "
Ovo je postignuće bilo još impresivnije s obzirom na to da je Albert Einstein, koji je prvi predvidio njihovo postojanje, vjerovao da bi gravitacijski valovi bili preslabi za proučavanje. Međutim, do šezdesetih godina prošlog vijeka napredak u laserskoj tehnologiji i novi uvidi u moguće astrofizičke izvore naveli su znanstvenike da zaključuju da bi ti valovi mogli zapravo biti otkriveni.
Prve detektore gravitacijskog vala izgradio je Joseph Weber, astrofizičar sa sveučilišta Maryland. Njegovi detektori, koji su izgrađeni šezdesetih godina, sastojali su se od velikih aluminijskih cilindara koji će prolaziti gravitacijskim valovima. Uslijedili su drugi pokušaji, ali svi su se pokazali neuspješnima; potaknuti prelazak na novi tip detektora koji uključuje interferometriju.
Jedan takav instrument razvio je Weiss na MIT-u, a oslanjao se na tehniku poznatu kao laserska interferometrija. U ovoj vrsti instrumenta gravitacijski valovi se mjere pomoću široko raspoređenih i odvojenih zrcala koja odražavaju lasere na velikim udaljenostima. Kada gravitacijski valovi uzrokuju rastezanje i stiskanje prostora u beskonačno malim količinama, to uzrokuje pomicanje reflektirane svjetlosti unutar detektora u trenutku.
U isto je vrijeme Thorne - zajedno sa svojim studentima i postdokumentima na Caltechu - počeo raditi na poboljšanju teorije gravitacijskih valova. To je uključivalo nove procjene snage i frekvencije valova koje proizvode predmeti poput crnih rupa, neutronskih zvijezda i supernova. To je kulminiralo radom iz 1972. godine koji je Throne objavio zajedno sa svojim studentom Billom Pressom, a koji je sažeo njihovu viziju kako se mogu proučavati gravitacijski valovi.
Iste godine Weiss je objavio i detaljnu analizu interferometra i njihovog potencijala za astrofizička istraživanja. U ovom je radu rekao da bi operacije većih razmjera - veličine nekoliko km ili više - mogle imati pucanj u otkrivanju gravitacijskih valova. Također je identificirao glavne izazove otkrivanja (poput vibracija sa Zemlje) i predložio moguća rješenja za suzbijanje istih.
1975. Weiss je pozvao Thornea da govori na sastanku komiteta NASA-e u Washingtonu, D.C., a njih dvoje proveli su cijelu noć razgovarajući o gravitacijskim eksperimentima. Kao rezultat njihovog razgovora, Thorne se vratio u Calteh i predložio stvaranje eksperimentalne gravitacijske skupine koja bi radila na interferometrima paralelno s istraživačima na MIT-u, Sveučilištu u Glasgowu i Sveučilištu Garching (gdje su se provodili slični eksperimenti).
Razvoj prvog interferometra počeo je ubrzo nakon toga u Caltechu, što je dovelo do stvaranja 40-metarskog prototipa (130 stopa) za testiranje Weissove teorije o gravitacijskim valovima. Godine 1984., svi poslovi koje su vodile te institucije spojile su se. Caltech i MIT, uz potporu Nacionalne znanstvene zaklade (NSF), formirali su LIGO suradnju i započeli s radom na svoja dva interferometra u Hanfordu i Livingstonu.
Izgradnja LIGO-a bio je veliki izazov, i logistički i tehnički. Međutim, stvari su neizmjerno pomogle kad je Barry Barish (tada Caltech fizičar čestica) postao glavni istražitelj (PI) LIGO-a 1994. Nakon desetljeća zaustavljenih pokušaja, postao je i direktor LIGO-a i njegovu izgradnju vratio na pravi put , Također je proširio istraživački tim i izradio detaljan plan rada za NSF.
Kao što je Barish naznačio, posao koji je obavio s LIGO-om bio je nešto od ostvarenja sna:
„Uvijek sam želio biti eksperimentalni fizičar i privlačila me ideja da se kontinuiranim napretkom tehnologije koristim za provođenje temeljnih znanstvenih eksperimenata koji se drugačije ne mogu učiniti. LIGO je sjajan primjer onoga što se prije nije moglo učiniti. Iako se radilo o vrlo velikim projektima, izazovi su se vrlo razlikovali od načina na koji gradimo most ili provodimo druge velike inženjerske projekte. Za LIGO je bio izazov i kako razviti i dizajnirati napredne instrumente u velikoj mjeri, čak i kako se projekt razvija. "
Do 1999. godine izgradnja se zamotala u opservatoriju LIGO, a do 2002. godine LIGO je počeo dobivati podatke. 2008. započeo je rad na poboljšanju njegovih originalnih detektora, poznatih kao Advanced LIGO Project. Proces pretvorbe 40-metarskog prototipa u trenutni interferometar LIGO-a (2,5 mi) bio je ogroman pothvat i stoga ga je potrebno razbiti u korake.
Prvi korak dogodio se između 2002. i 2010. godine, kada je tim izgradio i testirao početne interferometre. Iako to nije rezultiralo nikakvim otkrićima, ipak je pokazalo osnovne koncepte opservatorija i riješilo mnoge tehničke prepreke. Sljedeća faza - nazvana Advanced LIGO, koja se odvijala između 2010. i 2015. - omogućila je detektorima postizanje nove razine osjetljivosti.
Ove nadogradnje, koje su se također dogodile pod Barishovim vodstvom, omogućile su razvoj nekoliko ključnih tehnologija koje su u konačnici omogućile prvo otkrivanje. Kao što je Barish objasnio:
"U početnoj fazi LIGO-a, kako bi se izolirali detektori od zemaljskog gibanja, koristili smo sustav ovjesa koji se sastojao od ogledala ispitne mase obješenih na klavirsku žicu i koristio je višestupanjski set pasivnih amortizera, sličan onima u svom autu. Znali smo da to vjerojatno neće biti dovoljno dobro za otkrivanje gravitacijskih valova, pa smo u laboratoriji LIGO razvili ambiciozan program za napredni LIGO koji je ugradio novi sustav ovjesa za stabiliziranje zrcala i aktivni sustav seizmičke izolacije koji će osjetiti i ispraviti osnovni prijedlozi. "
S obzirom na to kako su središnji Thorne, Weiss i Barish bili za proučavanje gravitacijskih valova, sva trojica s pravom su prepoznata kao ovogodišnji dobitnici Nobelove nagrade za fiziku. I Thorne i Barish su obaviješteni da su pobijedili u ranim jutarnjim časovima 3. listopada 2017. Kao odgovor na vijest, oba su znanstvenika bila sigurna da priznaju stalne napore LIGO-a, znanstvenih timova koji su tome doprinijeli i napori Caltech-a i MIT-a u stvaranju i održavanju opservatorija.
"Nagrada s pravom pripada stotinama LIGO-ovih znanstvenika i inženjera koji su izgradili i usavršili naše složene gravitacione valne interferometre, te stotinama LIGO-a i znanstvenika Djevica koji su pronašli signale gravitacijskog vala u LIGO-ovim bučnim podacima i izvadili podatke valova, - rekao je Thorne. "Žao nam je što, prema statutima Nobelove zaklade, nagradu treba dobiti ne više od tri osobe, kada je naše čudesno otkriće djelo više od tisuću."
"Ponizan sam i počastvovan primanjem ove nagrade", rekao je Barish. „Detekcija gravitacijskih valova uistinu je trijumf moderne eksperimentalne fizike velikih razmjera. Tijekom nekoliko desetljeća naši timovi u Caltech i MIT-u razvili su LIGO u nevjerojatno osjetljiv uređaj koji je otkrio to otkriće. Kad je signal stigao do LIGO-a od sudara dvije zvjezdane crne rupe koji se dogodio prije 1,3 milijarde godina, znanstvena suradnja s 1000 znanstvenika LIGO uspjela je prepoznati događaj kandidata u roku nekoliko minuta i obaviti detaljnu analizu koja je uvjerljivo pokazala da gravitacijski valovi postoji „.
Gledajući unaprijed, također je prilično jasno da Advanved LIGO, Napredna Djevica i ostale opservatorije gravitacijskog vala širom svijeta tek počinju. Osim što su otkrile četiri odvojena događaja, nedavna istraživanja pokazuju da bi gravitacijsko otkrivanje valova moglo otvoriti i nove granice za astronomska i kosmološka istraživanja.
Na primjer, nedavno istraživanje tima istraživača iz Monash centra za astrofiziku predložio je teorijski koncept poznat kao "siroče sjećanje". Prema njihovom istraživanju, gravitacijski valovi ne samo da uzrokuju valove u prostoru-vremenu, već ostavljaju trajne valove u svojoj strukturi. Proučavajući "siročad" prošlih događaja, gravitacijski valovi se mogu proučavati kako stižu do Zemlje, tako i dugo nakon što prođu.
Osim toga, u kolovozu je objavio tim astronoma iz Centra za kozmologiju Sveučilišta Irvine u Kaliforniji koji je pokazao da su spajanja crnih rupa daleko češća nego što smo mislili. Nakon provođenja istraživanja kozmosa namijenjenog izračunavanju i kategorizaciji crnih rupa, UCI tim utvrdio je da u galaksiji može biti čak 100 milijuna crnih rupa.
Druga nedavna studija pokazala je da se napredna mreža LIGO, GEO 600 i Virgo gravitacijsko detektorskih valova mogu također koristiti za otkrivanje gravitacijskih valova stvorenih supernovama. Otkrivanjem valova stvorenih zvijezdama koji eksplodiraju pred kraj njihovog životnog vijeka, astronomi su mogli prvi put vidjeti unutar srca zvijezda koje se urušavaju i ispitivati mehaniku stvaranja crnih rupa.
Nobelova nagrada za fiziku jedno je od najvećih priznanja koje se može dodijeliti znanstveniku. Ali još veće od toga je saznanje da su velike stvari proistekle iz vlastitog rada. Desetljeća nakon što su Thorne, Weiss i Barish počeli predlagati studije gravitacijskog vala i radeći na stvaranju detektora, znanstvenici iz cijelog svijeta čine duboka otkrića koja revolucionaraju način na koji razmišljamo o Svemiru.
I kao što će ovi znanstvenici sigurno potvrditi, ono što smo vidjeli do sada samo je vrh ledenog brijega. Može se zamisliti da negdje Einstein također bljesne s ponosom. Kao i u ostalim istraživanjima koja se odnose na njegovu teoriju opće relativnosti, i istraživanje gravitacijskih valova pokazuje da su se čak i nakon jednog stoljeća njegova predviđanja i dalje bacala!
Svakako pogledajte ovaj videozapis konferencije za novinare u Caltechu na kojem su Barish i Thorn nagrađeni za svoja dostignuća:
