Observatorij LIGO je potrdil obstoj gravitacijskih valov, ki jih je napovedal Einstein, in odprl novo obdobje v astronomiji. Toda zmanjšanje proračuna v ZDA grozi z zaprtjem ene od njegovih anten.

Ob 4. uri zjutraj 14. septembra 2015 sta tako v puščavi na vzhodu države Washington kot v gozdovih vesolja Louisiane dva žarka svetlobe začela trepetati v daljni sinhronosti, medtem ko se je prostor, po katerem sta potovala, raztezal in krčil s hitrostjo 250-krat na sekundo.

To sta bili dve identični antene Laserske interferometrične gravitacijske observatorije ali LIGO. Daleč v času in prostoru sta se dve črni luknji, gigantski vodi večne teme, zaleteli in združili, pri čemer sta poslali gravitacijske valove, ki so se razširili po vesolju in skozi tirnici dveh anten.

Celotno srečanje je trajalo petino sekunde. Toda ta trenutek je spremenil astrofiziko in odprl okno v prej nedostopna področja narave, kjer se je prostor lahko raztrgal, upogibal, napihnil, zmečkal in celo izginil.

To je bil prvi neposreden dokaz, da valovi prostora-časa, ki jih je pred stoletjem napovedal Albert Einstein, resnično obstajajo. V zadnjem desetletju so LIGO in drugi eksperimenti zabeležili več kot 300 takih burnih trkov in astronomom dali namige o evoluciji črnih lukenj skozi vesoljsko zgodovino.

Da so črne luknje v vesolju povsod prisotne, zdaj ni več nobenega dvoma. Antene LIGO so upravičile svoj nekoč sporni naziv »observatoriji« in so bile zagnane podobne observatorije: VIRGO v Italiji, KAGRA na Japonskem; okoli 1600 astronomov in fizikov iz vsega sveta sodeluje v okviru sodelovanja LIGO/VIRGO/KAGRA ali LVK. Ustanovitelji LIGO, Rainer Weiss iz MIT in Kip Thorne in Barry Barish iz Kalifornijskega tehnološkega inštituta, so leta 2017 prejeli Nobelovo nagrado za fiziko.

Praznovanje obletnice se je začelo 13. septembra s zabavami in dnevi odprtih vrat v observatorijih LIGO v Hanfordu, Washington, in Livingstonu, Louisiana. Nato bo 10. oktobra na Kalifornijskem tehnološkem inštitutu potekal simpozij z nastopi Nobelovih nagrajencev.

Kot uvodni akord je 10. septembra ekipa več kot tisoč astrofizikov pod vodstvom Katerine Hatzioannou iz Kalifornijskega tehnološkega inštituta objavila, da je LIGO potrdil inovativno hipotezo, ki jo je prvič pred več kot 50 leti postavil Stephen Hawking , da se črne luknje lahko le večajo, kar je bilo revolucionarno odkritje v teoretični fiziki.

Vendar je bilo praznovanje zasenčeno. Konec avgusta je Weiss, laboratorijska miš in zgovorni izumitelj, umrl v starosti 92 let, manj kot mesec dni pred obletnico svojega največjega dosežka. Brez njega, po besedah znanstvenikov, ne bi bilo observatorija gravitacijskih valov.

„Ne poznam nikogar, ki bi imel pomembne stike z Rayem in v nekem smislu ne bi postal boljši človek,“ je dejal David Reitz, fizik iz Kalifornijskega tehnološkega inštituta in direktor laboratorija LIGO, ki upravlja z dvema antenama.

Še bolj zaskrbljujoče je, da je predsednik Donald Trump predlagal zmanjšanje operativnega proračuna LIGO v letu 2026 za 40 odstotkov, s 48 na 29 milijonov dolarjev, in likvidacijo ene od anten. To bi lahko pripeljalo do katastrofe, sajza triangulacijo vira gravitacijskih valov potrebujemo dve antene.

Wrightz, ki je preživel mučno poletje z raziskovanjem proračunskih scenarijev, je dejal, da bo po njegovem mnenju observatorij lahko deloval s predlaganim proračunom, vendar z veliko težavami. „Bilo bo težko,“ je dejal. To bo v prvi vrsti prizadelo okoli 200 znanstvenikov in tehnikov iz laboratorija LIGO, ki upravljajo in vzdržujejo antene v imenu širše skupnosti LVK. Wright jih je opisal kot „zelo posebne znanstvenike in inženirje z zelo specifičnim znanjem, ki imajo hipoteke, ki jih morajo odplačati, in otroke, ki jih morajo preživljati na univerzi“.

Vpliv na produktivnost in prihodnje posodobitve bo uničujoč, je dodal: »LIGO se bo praktično nemogoče opomogel od tako velikega zmanjšanja.«

V vesolju so odkrili nov tip vesoljskih objektov

Naprava z gravitacijo

Weiss je rad rekel, da se več nauči, ko ustvarja napravo, kot ko poskuša, da bi jo spravil v delovanje. To je, na kratko, zgodba LIGO.

V 70. letih prejšnjega stoletja je Weiss v dotrajani stavbi MIT, kjer je bilo tri desetletja prej izumljeno radar, začel sestavljati napravo za zaznavanje rahlega stiskanja in raztezanja prostora-časa, za katerega so menili, da ga povzročajo gravitacijske valove, ki so bili takrat še hipotetični. Pričakovalo se je, da lahko le najgostejši in najbolj ekstremni objekti v vesolju – črne luknje in nevtronske zvezde – proizvajajo šibke valove te vrste. Mnogi astronomi, zlasti iz MIT, so dvomili o obstoju črnih lukenj.

Sčasoma je Nacionalni znanstveni sklad združil prizadevanja Weisa s podobnim projektom na Kalifornijskem tehnološkem inštitutu, kjer so bile črne luknje bolj priljubljene. Rezultat je bil nastanek dveh L-oblikovanih stavb v Hanfordu in Livingstonu, v katerih so bili nameščeni laserski žarki, ki se odbijajo od ogledal in zaznavajo vse vstopne nihanja.

Več let znanstveniki niso slišali ničesar, čeprav so povečali svoje analitične in računske zmogljivosti ter izboljšali občutljivost anten. Nato so septembra 2015 lansirali najnovejšo različico naprave, imenovano LIGO Advanced. Zazvonili so signali zaznave.

„Pomahal mi je z roko,“ je kasneje dejal Weiss. »Bilo je neverjetno. Signal je bil tako močan, da nisem mogel verjeti.«

V praznini, 1,3 milijarde svetlobnih let daleč, sta se dve črni luknji, 29- in 36-krat masivnejši od Sonca, zaleteli in združili v črno luknjo z maso 62 Sonc. Tri sonca mase in energije, enakovredna svetlobi tisoč milijard zvezd, so izginila v valovanju prostora-časa.

Te energije je bilo dovolj, da se je LIGO ogledalo premaknilo in povečalo razdaljo, ki so jo prehodili laserski žarki, za štiri tisočinke premera jedra vodikovega atoma.

Izkazalo se je, da je brnenje prostora-časa, ki ga je povzročilo trčenje teh konkretnih črnih lukenj, ustvarilo valove na istih frekvencah, ki jih slišijo ljudje. Te prve gravitacijske valove, pretvorjene v akustične valove, je zaznamovalo kratko čivkanje, ki se je končalo z noto do-mi.

Ti kliki so zdaj v znanosti običajni pojav; če imate na svojem mobilnem telefonu nameščeno aplikacijo Gravitational Waves Events, jih boste slišali približno vsakih tri dni. V zadnjem zbiru dogodkov, povezanih z gravitacijskimi valovi, objavljenem ta teden, je bil vsaj en objekt, ki ni bil dovolj masiven, da bi bil črna luknja, in par objektov, ki so bili preveč masivni, v skladu s standardno astrofizično tradicijo.

Razočaranje je bila odsotnost možnosti sodelovanja v tistem, kar skupnost imenuje „astronomija večkanalnih sporočil”, ki združuje preučevanje gravitacijskih valov s tradicionalnimi teleskopskimi opazovanji. Ker so črne luknje nevidne, ni kaj gledati.

Večkanalna astronomija je dosegla svoj polni potencial leta 2017, ko je par nevtronskih zvezd – gostih ostankov kolapsiranih zvezd – trčil in povzročil nov tip eksplozije, imenovano kilonova. Nevtronske zvezde so polne snovi, ki ustvarjajo tako svetlobo kot hrup, in trčenje je prisililo antene, da so začele kljukati, kar je pritegnilo več kot 4000 astronomov, ki so kasneje podpisali enega od mnogih znanstvenih člankov o tem dogodku. Astronomi so izračunali, da je eksplozija v delčku sekunde ustvarila od 40 do 100 mas Zemlje zlata – prihodnjih vesoljskih draguljev.

Na žalost se od takrat ni zgodilo nič podobnega. „Zdi se, da smo imeli z GW170817zelo veliko srečo,“ je v elektronskem pismu napisal Daniel Holz, astrofizik z Univerze v Chicagu. „To je ustvarilo povsem nerealne pričakovanja glede pogostosti pojavljanja takšnih sistemov.“

A upanje je večno in nenavadni in neobičajni dogodki se lahko zgodijo kadarkoli. „Navdušenje na tem področju je povezano s tem, da lahko odkrivamo nove stvari“, je dejal Reitz. „Sami lahko usmerjamo teleskope, prosimo naše prijatelje astronome, naj usmerijo svoje teleskope na mesta, kjer lahko odkrijejo nove stvari, ki niso povezane z gravitacijskimi valovi. Torej bomo morali počakati in videti, kako se bo to razvijalo v prihodnjih tednih ali mesecih.«

Direktor Google DeepMind: neumno je primerjati sodobne umetne inteligence z doktorji znanosti

Kako rastejo črne luknje

Hkrati se izpolnjuje dolgoletna obljuba, dana Stephenu Hawkingu, znanemu angleškemu kozmologu, strokovnjaku za črne luknje.

Leta 1970 je Hawking po preučitvi enačb, ki opisujejo črne luknje, podal drzen predlog: površina dogodkovnega horizonta črne luknje – nevidni mehurček v vesolju, ki določa njeno točko brez povratka – se mora vedno večati. Narava ni nujno morala delovati na tak način. Zakaj se črne luknje ne bi mogle razdeliti na pol ali ločiti druga od druge in izginiti kot milni mehurčki? Po mnenju Hawkinga so se ti mehurčki iz ničesar lahko le povečevali.

Hawkingova ideja je postala temelj članka iz leta 1973 z naslovom »Štiri zakoni mehanike črnih lukenj«, ki ga je napisal skupaj z Jamesom Bardinom, fizikom z Univerze v Washingtonu, in Brandonom Carterjem, ki trenutno dela v Nacionalnem centru za znanstvene raziskave v Franciji. Idejo so primerjali z znanim zakonom termodinamike, po katerem se entropija – količina toplote ali energije, ki se porabi v sistemu – vedno povečuje. (Entropija je razlog, zaradi katerega ni mogoče zgraditi večnega motorja).

Ta ideja je pomenila, da črne luknje imajo entropijo – kot je prvi trdil Jacob Bekenstein, takratni podiplomski študent na Princetonu – in toploto, kar je omogočalo domnevo, da vendarle niso tako črne. Lahko se segrejejo in celo eksplodirajo, kot je nekaj let kasneje napovedal Hawking. Med drugim je domneval, da je rast črnih lukenj tako neizogibna kot rja in da se bodo entropija in nered v vesolju še naprej povečevala.

Pol stoletja kasneje se nekateri najboljši umi sveta še vedno prepirajo o tem, kako bo to delovalo in kaj lahko to pomeni. Na kocki je vprašanje, ali Einsteinova gravitacija, ki oblikuje širši vesolje, podlega istim pravilom kot kvantna mehanika, paradoksalnim zakonom, ki prevladujejo znotraj atoma.

Leta 2003 je Thorne napovedal, da bo LIGO lahko preveril Hawkingovo teorijo, tako da bo dejansko izmeril velikost in druge lastnosti črnih lukenj. To bo njegovo darilo prijatelju Hawkingu za njegovo 70. obletnico leta 2012, je dejal Thorne.

Toda podatki o prvem zabeleženem trčenju črnih lukenj leta 2015 so bili preveč hrupni in negotovi, da bi lahko takoj potegnili zaključke, in Hawking je umrl tri leta kasneje. Leta 2021, po več letih računalniških simulacij in boja za podatke, je ekipa pod vodstvom fizika iz MIT-ja Maximiliana Isija objavila, da je verjetnost, da je imel Hawking prav, 97-odstotna: skupna površina črnih lukenj se je med združitvijo povečala, vsaj za to konkretno trčenje črnih lukenj.

Sedaj je ekipa pod vodstvom Chatzioannouja, v kateri je tudi Isi, presegla prvi rezultat in po njihovih besedah predložila najboljše in najbolj jasne dokaze do danes, z več kot 99-odstotno verjetnostjo, da je imel Hawking prav.

Dokazi so se pojavili januarja, ko je LIGO registriral trčenje dveh enakih črnih lukenj, katerih masa je bila 33,6-krat in 32,2-krat večja od mase Sonca.

„To je bilo dvakrat močnejše od naslednjega najmočnejšega pojava, ki smo ga opazovali,“ je dejal Ciacchianu v telefonskem intervjuju. To je bilo v glavnem povezano s tem, da so se detektorji LIGO od prvega trka leta 2015 znatno izboljšali. „Takoj smo razumeli, da z njim lahko naredimo zanimive stvari,“ je dejal.

Združena črna luknja je bila 62,7-krat masivnejša od Sonca, kar pomeni, da je masa, enaka trem Soncem, izginila v gravitacijskih valovih.

Da bi razvozlali te podrobnosti trka, je bilo treba poglobiti se v zadnje trenutke uničenja in nastanka črne luknje. Ko se oblikuje novo združena črna luknja, vibrira kot boben ali zvon in ustvarja osnovni ton ter vrsto overtone in undertone. Posledica tega je, po besedah Cazioanna, »prostor-čas, gravitacija, ki ga obdaja, je kaos«.

Ker je bil krik tako glasen, so Cazioannu in njegova ekipa lahko ignorirali nered in identificirali končne odmeve, ki so nastali ob usedanju nove črne luknje. Pokazali so, da sta dve črni luknji začeli s skupno površino 240.000 kvadratnih kilometrov, vendar se združili v eno s površino 400.000: impresivna rast.

»Naši rezultati kažejo, da so astrofizične črne luknje resnično izjemno preprosti objekti, ki se podrejajo splošni teoriji relativnosti«, so sklenili Ciacchianna in njegovi sodelavci. Zaradi tega lahko Hokingsove pepel še naprej mirno počiva med pepelom drugih britanskih znanstvenikov-junakov v Westminstrski opatiji v Londonu.