У фебруару 2016. научници који раде за опсерваторију гравитационих таласа Ласер Интерферометар (ЛИГО) ушли су у историју када су најавили прво откривање гравитационих таласа. Од тада се десило вишеструко откривање и научна сарадња између опсерваторија - попут Напредне ЛИГО и Напредне Девице - омогућавају невиђени ниво осетљивости и размене података.
Не само да је први пут откривање гравитационих таласа историјско достигнуће, већ је покренуло нову еру астрофизике. Стога је мало чудо зашто су тројица истраживача, који су били главни у првом откривању, добили Нобелову награду за физику за 2017. годину. Награда је заједнички додељена професорима Цалтецх-а емеритус Кип С. Барисх-у, заједно са професором са МИТ-а емеритусом Раинером Веисс-ом.
Једноставно речено, гравитациони таласи су валови у простор-времену који настају великим астрономским догађајима - попут спајања бинарног пара црних рупа. Прво су их предвидели пре више од једног века Ајнштајнова теорија опште релативности, која је наговештавала да ће масовне узнемирености изменити структуру простора-времена. Међутим, тек последњих година су први пут примећени докази о тим таласима.
Први сигнал су открили ЛИГО-ови близанци опсерваторије - у Ханфорду, Вашингтону и Ливингстон-у, Луизијана - и пронашли су се до спајања црног кртице удаљеног 1,3 милијарде светлосних година. До данас су извршене четири детекције, а све због спајања пара црних рупа. Они су се догодили 26. децембра 2015., 4. јануара 2017. и 14. августа 2017., а последњи су их открили ЛИГО и детектор гравитационих таласа Европске Девице.
За улогу коју су играли у овом остварењу, половина награде додељена је заједнички Цалтецх-у Барриу Ц. Барисху - Роналд и Макине Линде професор физике, Емеритус - и Кип С. Тхорнеу, професору теоријске физике Рицхард П. Феинман-у , Емеритус. Друга половина додељена је Раинеру Веиссу, професору физике, емеритусу, са Массацхусеттс Институте оф Тецхнологи (МИТ).
Као што је председник Цалтецх-а Тхомас Ф. Росенбаум - председник председништва Соња и Виллиам Давидов и професор физике - у недавној изјави за Цалтецх рекао је:
„Одушевљен сам и почаствован што сам честитао Кип-у и Баррију, као и Раи Веисс-у са МИТ-а, на додељеној јутрос Нобеловој награди за физику. Прво директно посматрање гравитационих таласа од стране ЛИГО-а је изванредна демонстрација научне визије и упорности. Кроз четири деценије развоја изузетно осетљиве инструментације - која гура капацитет наше маште - сада смо у стању да сагледамо космичке процесе који су раније били неприметни. То је заиста почетак нове ере у астрофизици. "
Ово достигнуће било је још импресивније с обзиром да је Алберт Еинстеин, који је први предвидио њихово постојање, веровао да ће гравитациони таласи бити сувише слаби за проучавање. Међутим, до шездесетих година прошлог века напредак у ласерској технологији и нови увиди у могуће астрофизичке изворе навели су научнике да закључују да би ти таласи могли да се детектују.
Прве детекторе гравитационог таласа саградио је Џозеф Вебер, астрофизичар са Универзитета у Мериленду. Његови детектори, који су изграђени шездесетих година КСКС века, састојали су се од великих алуминијумских цилиндара који би покретали да вибрирају пролазећи гравитациони таласи. Уследили су и други покушаји, али сви су се показали неуспешним; потичући прелазак на нови тип детектора који укључује интерферометрију.
Један такав инструмент развио је Веисс на МИТ-у, који се ослањао на технику познату као ласерска интерферометрија. У овој врсти инструмента гравитациони таласи се мере помоћу широко постављених и одвојених огледала која одражавају ласере на великим даљинама. Када гравитациони таласи узрокују да се простор растегне и стисне у бесконачно малим количинама, то узрокује да се рефлектована светлост унутар детектора помера у најмању руку.
Истовремено, Тхорне је заједно са својим студентима и постдокументима на Цалтецх-у почео да ради на побољшању теорије гравитационих таласа. Ово укључује нове процене снаге и фреквенције таласа произведених од објеката као што су црне рупе, неутронске звезде и супернове. То је кулминирало радом из 1972. године који је Тхроне објавио заједно са својим студентом Биллом Прессом, а који је сажео њихову визију како се могу проучавати гравитациони таласи.
Исте године Веисс је објавио и детаљну анализу интерферометра и њиховог потенцијала за астрофизичка истраживања. У овом раду, он је изјавио да би операције већих размера - величине неколико км или више - могле да имају пуцање у откривању гравитационих таласа. Такође је идентификовао главне изазове откривања (попут вибрација са Земље) и предложио могућа решења за сузбијање истих.
1975. Веисс је позвао Тхорнеа да разговара на састанку комитета НАСА-е у Васхингтону, Д.Ц., а њих двоје су провели читаву ноћ разговарајући о гравитацијским експериментима. Као резултат њиховог разговора, Тхорне се вратио у Цалтех и предложио стварање експерименталне гравитационе групе, која би радила на интерферометрима паралелно са истраживачима са МИТ-а, Универзитета у Гласгову и Универзитета Гарцхинг (где су вршени слични експерименти).
Развој првог интерферометра почео је убрзо након тога на Цалтецх-у, што је довело до стварања прототипа од 40 метара (130 стопа) за тестирање Веиссове теорије о гравитационим таласима. 1984. године сви радови које су водиле ове институције су се спојили. Цалтецх и МИТ, уз подршку Националне научне фондације (НСФ), формирали су ЛИГО сарадњу и започели рад на своја два интерферометра у Ханфорду и Ливингстону.
Изградња ЛИГО-а био је велики изазов, и логистички и технички. Међутим, ствари су неизмјерно помогле кад је Барри Барисх (тада Цалтецх физичар честица) постао главни истраживач (ПИ) ЛИГО-а 1994. године. Након деценије заустављених покушаја, он је постао и директор ЛИГО-а и његову изградњу вратио на прави пут . Такође је проширио истраживачки тим и развио детаљан план рада за НСФ.
Као што је Барисх назначио, посао који је обављао са ЛИГО-ом био је нешто од сна:
„Одувек сам желео да будем експериментални физичар и привлачила ме идеја да користим стални напредак технологије за извођење фундаменталних научних експеримената који се другачије не могу учинити. ЛИГО је одличан пример онога што се раније није могло учинити. Иако се радило о веома великим пројектима, изазови су били веома различити од начина на који градимо мост или изводимо друге велике инжењерске пројекте. За ЛИГО је изазов био и како развијати и дизајнирати напредне инструменте у великој мери, чак и како се пројекат развија. "
До 1999. године изградња се замотала у опсерваторију ЛИГО, а до 2002. године ЛИГО је почео да добија податке. 2008. године започео је рад на побољшању његових оригиналних детектора, познатих као Адванцед ЛИГО Пројецт. Процес претворбе прототипа дужине 40 метара у тренутни интерферометар ЛИГО-а (2,5 ми) био је огроман подухват и зато га је требало раздвојити на кораке.
Први корак се догодио између 2002. и 2010. године, када је тим изградио и тестирао почетне интерферометре. Иако ово није резултирало никаквим откривањем, ипак је показало основне концепте опсерваторије и решило многе техничке препреке. Следећа фаза - названа Адванцед ЛИГО, која се одвијала између 2010. и 2015. - омогућила је детекторима да постигну нове нивое осетљивости.
Ове надоградње, које су се такође десиле под Барисх-овим вођством, омогућиле су развој неколико кључних технологија које су на крају омогућиле прво откривање. Као што је Барисх објаснио:
„У почетној фази ЛИГО-а, како бисмо изолирали детекторе од кретања Земље, користили смо систем суспензије који се састојао од огледала испитне масе окачених клавирском жицом и користили су вишестепени сет пасивних амортизера, сличних онима у свом ауту. Знали смо да ово вероватно неће бити довољно добро за откривање гравитационих таласа, па смо у лабораторији ЛИГО развили амбициозан програм за напредни ЛИГО који је уградио нови систем суспензије за стабилизацију огледала и активни систем сеизмичке изолације да би се осетио и исправио основни покрети. "
С обзиром на то колико су средишњи Тхорне, Веисс и Барисх били у проучавању гравитационих таласа, сва тројица су с правом препозната као овогодишњи добитници Нобелове награде за физику. И Тхорне и Барисх су обавијештени да су побиједили у раним јутарњим часовима 3. октобра 2017. Као одговор на вијести, оба научника су била сигурна да признају сталне напоре ЛИГО-а, научних тимова који су томе допринијели и напори Цалтецх-а и МИТ-а у стварању и одржавању опсерваторија.
„Награда с правом припада стотинама ЛИГО научника и инжењера који су изградили и усавршили наше сложене гравитационе таласне интерферометре и стотинама научника ЛИГО и Девице који су пронашли сигнале гравитационог таласа у ЛИГО-овим бучним подацима и извукли информације таласа, "Рече Тхорне. „Нажалост, због статута Нобелове фондације, награда мора да добије не више од три особе, када је наше чудесно откриће дело више од хиљаду.“
"Понизан сам и почаствован што сам примио ову награду", рекао је Барисх. „Детекција гравитационих таласа је заиста тријумф модерне експерименталне физике великих размера. Током неколико деценија, наши тимови у Цалтецх и МИТ-у развили су ЛИГО у невероватно осетљив уређај који је открио то откриће. Када је сигнал стигао до ЛИГО-а од судара две звјездане црне рупе који се догодио прије 1,3 милијарде година, научна сарадња ЛИГО-а од 1.000 научника успјела је у року од неколико минута идентификовати догађај кандидата и обавити детаљну анализу која је убедљиво показала да гравитациони таласи постоје. “
Гледајући унапред, такође је прилично јасно да Адванвед ЛИГО, Напредна Девица и друге опсерваторије гравитационих таласа широм света тек почињу. Поред откривања четири одвојена догађаја, недавне студије су показале да би гравитационо откривање таласа могло отворити и нове границе за астрономска и космолошка истраживања.
На пример, недавно истраживање тима истраживача из Монасх Центра за астрофизику предложио је теоријски концепт познат као „сироче памћење“. Према њиховом истраживању, гравитациони таласи не само да изазивају таласе у простору-времену, већ остављају трајне валове у својој структури. Проучавањем „сирочади“ прошлих догађаја гравитациони таласи се могу проучавати како стижу до Земље, тако и дуго након што прођу.
Поред тога, у августу је објавио тим астронома из Центра за козмологију Универзитета у Калифорнији, Ирвине који је указао на то да су спајања црних рупа далеко чешће него што смо мислили. Након спровођења истраживања космоса намењеног израчунавању и категоризацији црних рупа, УЦИ тим утврдио је да у галаксији може да буде чак 100 милиона црних рупа.
Још једна недавна студија показала је да се напредна мрежа ЛИГО, ГЕО 600 и Девица гравитационо-детекторских таласа такође могу користити за откривање гравитационих таласа које стварају супернове. Откривањем таласа створених од звезде који експлодирају пред крај њиховог животног века, астрономи би могли да први пут виде у срцима звезда које се урушавају и истраже механику формирања црних рупа.
Нобелова награда за физику једно је од највећих признања које се може доделити научнику. Али још веће од тога је сазнање да су велике ствари проистекле из сопственог рада. Деценијама након што су Тхорне, Веисс и Барисх почели да предлажу студије гравитационог таласа и радећи на стварању детектора, научници из целог света чине дубока открића која револуционарају начин на који размишљамо о Универзуму.
И као што ће ови научници сигурно потврдити, оно што смо до сада видели само је врх леденог бријега. Може се замислити да негде Еинстеин такође зрачи поносом. Као и код других истраживања која се односе на његову теорију опште релативности, и истраживање гравитационих таласа показује да су и после једног века његова предвиђања и даље била праска!
Обавезно погледајте овај видео снимак са Цалтецх конференције за штампу на којој су Барисх и Тхорн били награђени за своја достигнућа:
