Poljub gravitacije

Harry Collins je 15. septembra 2015 zvečer prejel elektronsko sporočilo s presenetljivo vsebino: detektorja LIGO naj bi zaznala signal gravitacijskih valov. Kot izkušen član znanstvene kolaboracije LIGO se je na obvestilo odzval z zdravo mero dvoma, vseeno pa je pozorno spremljal nadaljnji razvoj dogodkov. Manj kot 24 ur kasneje se je odločil, da o dogodku, kot so signal poimenovali člani kolaboracije, napiše knjigo. Odkritje z uradnim imenom GW150915 se je v zgodovino vpisalo kot prvi primer neposredne zaznave gravitacijskih valov.

Valovanje v tkanini prostora-časa

Leta 1915 je Albert Einstein objavil splošno teorijo relativnosti, v kateri igra glavno vlogo gravitacija. Teorija napoveduje, da se v območju močne sile težnosti vesolje obnaša dokaj nenavadno. Svetlobi se ob potovanju mimo masivnega telesa spremeni smer potovanja. Sila težnosti v bližini črne luknje pa je tako velika, da ji ne more ubežati niti svetloba. Čas teče različno hitro na različnih razdaljah od masivnega telesa. Teorija, katere napovedi so bile že velikokrat potrjene, napove tudi obstoj gravitacijskih valov.

Splošna teorija relativnosti opisuje gravitacijo kot ukrivljenost prostor-časa. Vsako masno telo ukrivlja prostor-čas in večja kot je masa, bolj je prostor-čas ukrivljen. Opis si lahko ponazorimo z napeto ponjavo, na katero položimo kovinsko kroglo. Ko se ponjava pod težo krogle ukrivi, nanjo zakotalimo dodatno kroglo. Krogla bo čutila ukrivljenost ponjave in njeno gibanje se bo prilagodilo krivini.

Tako nekako bi si lahko predstavljali gibanje Zemlje okoli Sonca. Analogijo s ponjavo je treba jemati z rezervo, saj krogli in ponjava obstajajo znotraj prostora-časa, medtem ko masivna telesa ukrivljajo sam prostor-čas. V primeru, da dve telesi krožita drugo okoli drugega – na primer dve črni luknji – se ukrivljenost prostora-časa v njuni okolici nenehno spreminja. Gibanje teles ustvari motnjo v prostoru-času ali gravitacijski val, ki se giblje stran od teles.

Obstoj gravitacijskih valov so posredno dokazali že leta 1974. Znanstvenika Russell Alan Hulse in Joseph Hooton Taylor sta preučevala zanimiv sistem dveh pulzarjev, ki sta krožila drug okoli drugega. Pulzar je hitro vrteča se nevtronska zvezda z močnim magnetnim poljem, ki oddaja periodične pulze radijske svetlobe. Prek opazovanja pulzov lahko izredno natančno določimo gibanje posameznega pulzarja.

Hulse in Taylor sta ugotovila, da se pulzarja počasi približujeta, njuni orbiti pa se krčita. Približevanje se povsem ujema z napovedjo splošne relativnosti: orbiti masivnih teles v dvojnem sistemu se krčita, ker takšen sistem seva gravitacijske valove. Čez približno 300 milijonov let bosta nevtronski zvezdi trčili. V zadnjih trenutkih pred trkom bodo izsevani gravitacijski valovi postali veliko močnejši, kar bodo lahko naši zanamci zaznali neposredno. Ampak kako?

Detektorja LIGO izmerita nemogoče

Med potovanjem po vesolju gravitacijski val razteza in krči prostor-čas in vse kar je v njem. Ko gravitacijski val potuje preko Zemlje, se dolžina stadiona, višine gora in praktično celoten planet razteza ter krči. Če bi uspeli izmeriti te spremembe, bi gravitacijske valove neposredno zaznali. A vpliv gravitacijskih valov na prostor-čas je izjemno majhen; tipična sprememba razdalje je deset tisočkrat manjša od velikosti jedra vodikovega atoma. Ali drugače: izmeriti spremembo razdalje med dvema točkama zaradi gravitacijskega vala je tako, kot da bi izmerili razdaljo med Zemljo in Soncem z natančnostjo velikosti atoma.

Einstein ni verjel, da bi gravitacijske valove lahko neposredno zaznali. A kljub navidezno nemogoči nalogi je Joseph Weber v šestdesetih letih začel snovati eksperiment za detekcijo valov. Izumil je poseben cilinder, ki bi pri prehodu gravitacijskih valov začel nihati s frekvenco, ki je enaka frekvenci gravitacijskih valov. Weber je trdil, da je gravitacijske valove zares tudi zaznal, a kasnejši eksperimenti tega niso potrdili. Danes znanstveniki njegove meritve pripisujejo šumu.

Kljub Webrovemu neuspehu so znanstveniki sledili njegovi viziji in začeli postavljati temelje za nov poskus. Po desetletjih mučnega dela sta v ZDA zrasla dva detektorja LIGO. Vsak sestoji iz dveh pravokotnih cevi dolgih štiri kilometre. Na stičišču cevi je postavljeno zrcalo, v katerega je usmerjen laserski snop. Zrcalo svetlobo iz laserja razcepi v dva snopa. Vsak snop potuje po svoji cevi, se odbije od konca cevi in vrne na stičišče. To dolgo pot vsak snop opravi več stokrat. Naposled se svetloba obeh laserskih snopov ponovno združi in usmeri na detektor, na katerem je izmerjeni signal odvisen od dolžine cevi. Ob potovanju gravitacijskega vala preko detektorja se namreč spremeni dolžina cevi in s tem tudi izmerjeni signal. Zaradi majhnih sprememb razdalje, ki jih povzročijo gravitacijski valovi, je takšna meritev izjemno zahtevna.

Septembra 2015 je bil projekt LIGO tik pred tem, da začne uradno iskati valove, a je med izvajanjem zadnjih testov vse presenetil močan signal. Po večmesečnem mletju podatkov so znanstveniki z velikim zadovoljstvom oznanili prvo neposredno zaznavo gravitacijskih valov. Izkazalo se je, da je bil izvor trk dveh črnih lukenj, ki sta oddaljeni 1,4 milijarde svetlobnih let. Detekcija predstavlja prelomen uspeh znanosti, saj se je odprlo novo okno za raziskovanje vesolja.

LIGO kot sociološki eksperiment

Medtem ko so znanstveniki poskušali jeseni 2015 mrzlično ovreči vse dvome o pristnosti dogodka, je Harry Collins opazoval znanstvenike. Collins namreč ni fizik, temveč sociolog. Dinamika v znanstveni skupnosti ga je začela zanimati že v času, ko je Weber svet prepričeval o svoji detekciji valov. Pridružil se je zametku skupine, ki je kasneje tvorila jedro kolaboracije LIGO. Kar malo nenavadno je Collins po 45 letih eden izmed najstarejših in najizkušenejših članov kolaboracije, ki danes šteje preko tisoč članov. Dogajanje znotraj kolaboracije v obdobju petih mesecev med detekcijo dogodka in objavo rezultatov je Collins opisal v knjigi Poljub gravitacije (ang. Gravity’s Kiss).

Znanstveniki so se že kmalu po prvi zaznavi signala gravitacijskih valov zavedali, da so pred dosežkom, ki se lahko postavi ob bok največjim znanstvenim odkritjem. Znašli so se pod hudim pritiskom, saj bi vsakršna malomarnost uničila verodostojnost rezultatov in ugled kolaboracije. Nikakor niso želeli ponoviti Webrovih napak. Prav tako je bil v spominu še kako živ polom projekta BICEP2. Leto poprej so člani eksperimenta BICEP2 oznanili, da so v kozmičnem sevanju ozadja našli sledove prvinskih gravitacijskih valov (gre za valove, ki so domnevno nastali le nekaj trenutkov po velikem poku, ko naj bi se vesolje širilo eksponentno hitro). Kmalu se je izkazalo, da je bil rezultat lažen in posledica izjemno površne analize podatkov. Kolaboracija LIGO si tega ni smela privoščiti.

Za glavni vir negotovosti je poskrbela t.i. metoda slepega vstavljanja. Kar nekajkrat v zgodovini projekta LIGO so vodilni v eksperiment vstavili umeten signal, ki je posnemal pravo detekcijo. Skoraj nihče v kolaboraciji ni vnaprej vedel ali gre za pristen astrofizikalen signal ali ne. Vsi člani skupine so se morali resno lotiti dela pod predpostavko, da je signal avtentičen. Sčasoma so v vseh preteklih primerih prek analize pokazali, da gre za umeten signal. Namen takšnega igranja z znanstveniki je bil, da so veliko skupino znanstvenikov naučili delati čim bolj usklajeno in da so vpeljali potrebne izboljšave v postopek analize.

V primeru dogodka so znanstveniki potrebovali kar nekaj časa, preden so se prepričali, da je signal avtentičen. Najpomembnejši psihološki element, ki je znanstvenikom vlil samozavest, je bila zaznava še dveh šibkejših signalov gravitacijskih valov nekaj mesecev po dogodku. Signal dogodka je bil namreč tako močan, da je bil statistično malo verjeten. Glede na ocene števila trkov črnih lukenj v vesolju je bilo v relativno kratkem obdobju po dogodku pričakovati zaznavo še več šibkejših signalov. Dve dodatni detekciji sta znanstvenike pomirili.

Svet po dogodku

Tako znanstvena kot laična javnost sta pristnost dogodka sprejeli brez večjega dvoma. Danes je postala detekcija gravitacijskih valov prava rutina. Trki med dvema črnima luknjama, med dvema nevtronskima zvezdama in trki med nevtronsko zvezdo in črno luknjo so dobro opisani. Do danes je bilo zaznanih že več deset takšnih dogodkov. Pred dogodkom nismo zatrdno vedeli ali gravitacijski valovi dejansko obstajajo, sedaj pa kar naenkrat živimo v svetu, v katerem so gravitacijski valovi samoumevni.

Spremenil se je tudi odnos kolaboracije LIGO (medtem se je gravitacijskima detektorjema v ZDA pridružil še italijanski Virgo, pred kratkim tudi japonska KAGRA), ki je postala bolj odprta in manj skrivnostna. Znanstveniki pred uradno objavo rezultatov niso smeli o dogodku govoriti z nikomer zunaj kolaboracije. To je bilo seveda smiselno predvsem v obdobju, ko identiteta dogodka še ni bila potrjena. A od potrditve do objave je trajalo skoraj dva meseca, kar je vodilo do splošno slabega počutja med mnogimi znanstveniki, ki so morali novinarjem, prijateljem in družinskem članom odkritje prikrivati. Dandanes so podatki o novih zaznanih gravitacijskih valovih znani že nekaj deset minut po detekciji.

Knjiga Poljub gravitacije vsebuje številna elektronska sporočila, ki so si jih znanstveniki izmenjali v obdobju verifikacije dogodka. Sledimo vnetim razpravam o, glede na razsežnost odkritja, navidezno nepomembnih malenkostih. Ali z LIGO detektorjem res zaznamo gravitacijske valove neposredno ali ne? Po drugi strani pa podoživljamo veselje v trenutku, ko se je večina članov kolaboracije strinjala z napisanim člankom, kar je pomenilo konec analize in konec dvomov. In začetek nove normalnosti.

-