Pisanje zgodovine in težave z miškami in vlago

Dve štiri kilometre dolgi cevi se raztezata vsaka v svojo smer v obliki črke L med drevesi na ravnicah zelenega Livingstona v Louisiani. Jeseni 2015 je ta vrhunski observatorij pisal zgodovino, ko je prvič zaznal gravitacijske valove, ko sta daleč stran trčili masivni črni luknji.

Ligo ali laserski interferometer za opazovanje gravitacijskih valov tvorita dva enaka observatorija, eden je postavljen v Louisiani, drugi 3000 kilometrov stran v Hanfordu v Washingtonu. Sestavljena sta iz dveh med seboj pravokotnih cevi, na koncu vsake je postavljeno zrcalo. V stičišču cevi zrcalo razcepi svetlobo laserja na dva dela. Žarek nato potuje po svoji vakuumski cevi, se na koncu odbije od zrcala in se vrne na izhodišče. S proučevanjem, kako žarki interferirajo, oziroma ali se je razdalja žarkov spremenila, lahko ugotovijo, ali je observatorij (s tem pa seveda celotno Zemljo in vse na njej) prešel gravitacijski val. Prehajajoči gravitacijski val namreč povzroči, da se razdalja laserja vzdolž enega kraka podaljša, medtem ko se razdalja laserja v drugem kraku skrči. Observatorij Ligo lahko zazna raztezke oziroma skrčke, manjše od ene desettisočinke premera protona.

Tako je videti mehanizem, skozi katerega potuje laser. FOTO: Saša Senica

Detektorji so postavljeni na zelo kompleksnem mehanizmu, da utišajo vse druge motnje, ki jih budno spremljajo v nadzornem centru – od potresov v bližini ali pa povsem na drugem koncu sveta do človeške dejavnosti, kot so mimovozeči težki tovornjaki ali vlaki. Ker gre za tako drobne spremembe v razdaljah laserjev, ni dovolj le en observatorij, da bi lahko zagotovo trdili, da so zaznali gravitacijski val, zato sta v ZDA dva, podobni so tudi drugje po svetu, blizu nas je Virgo v Italiji, v bližini Pise, pa Kagra (Kamioka Gravitational Wave Detector) na Japonskem; ta je bil poškodovan v letošnjem novoletnem potresu pri Notu, predvidoma ga bodo spet zagnali januarja prihodnje leto. Kraka Virga in Kagre sta dolga po tri kilometre, japonski observatorij je postavljen 200 metrov pod površjem.

V nadzornem centru spremljajo dogajanje v observatoriju. FOTO: Saša Senica

Gravitacijske valove potrdili po sto letih

Obstoj gravitacijskih valov je že leta 1916 na podlagi splošne teorije relativnosti napovedal Albert Einstein. Vsa telesa, ki imajo maso, ukrivljajo prostor-čas. Bolj je neko telo masivno, bolj ukrivlja tkanino vesolja in tako bolj vpliva na druga telesa. Ko masivna telesa pospešujejo in nenadoma spremenijo smer, pa se ustvarijo gravitacijski valovi. Številne zvezde, ki jih vidimo, ko se ozremo v nočno nebo, pravzaprav niso tako kot Sonce, ki je »samo eno«, ampak gre za dvojne zvezde, takšnih dvojnih sistemov je pravzaprav veliko: dvojne črne luknje, dvojne nevtronske zvezde ali kombinacije. Če se na primer dve črni luknji približujeta druga drugi, se vrtita vse hitreje in tako razpošiljata valovanje v prostor-čas. Da to pravzaprav vibrira ves čas, so z opazovanjem pulzarjev dokazali lani, ko so naznanili obstoj tako imenovanih gravitacijskih valov ozadja. Ti nastajajo, ko se masivni telesi še vrtita, ko pa trčita oziroma se zlijeta, nastanejo gravitacijski valovi, ki so jih torej prvič ujeli z observatorijem Ligo. Čeprav gre za kataklizmične dogodke, ob katerih se sprostijo zelo visoke energije, so (na srečo!) daleč stran od nas, zato so jih leta neuspešno lovili.

Cevi se srečata v osrednji stavbi z detektorjem. FOTO: Saša Senica  

Prvič so jih zaznali 14. septembra 2015 v dogodku GW150914. Izkazalo se je, da gravitacijski valovi prihajajo od zelo močnega vira, ko sta se 1,3 milijarde svetlobnih let daleč stran zlili dve črni luknji z maso 29 oziroma 36 Sonc.

William Katzman, vodja izobraževalnega centra v Ligu, je spomnil, da je bil Ligo takrat še v tesni fazi, saj so ga komajda zagnali po večji posodobitvi, s katero so dobili občutljivejši observatorij, a so ga pustili delovati čez noč, medtem ko so se upravljavci odpravili domov. »Resda smo v Ligu zaznali prvi val, a pravzaprav so ga odkrili v Evropi, ker smo signal ujeli ob štirih zjutraj in so vsi analitiki podatkov pri nas spali.«

Podatki se namreč zbirajo in v realnem času razpošiljajo različnim skupinam po vsem svetu. V celotni skupini je okoli 1500 ljudi, medtem ko jih na samem kraju deluje okoli 65, od vzdrževalcev do analitikov v nadzornem centru in raziskovalcev, veliko reči pa lahko opravijo prek oddaljenega dostopa.

»Poklicali so nas iz Nemčije, z Inštituta Alberta Einsteina (Inštitut Maxa Plancka za gravitacijsko fiziko), češ, ali so ti podatki resnični ali kaj testirate. Nihče pravzaprav ni verjel, ker so bili podatki prelepi, da bi bili resnični,« je dodal Michael Fyffe, eden od operaterjev v nadzornem centru. Za dokaz obstoja gravitacijskih valov so leta 2017 Rainer Weiss, Kip Thorne in Barry Barish, idejni očetje observatorija Ligo, prejeli Nobelovo nagrado za fiziko.

To je prvotno zrcalo observatorija pred večjo posodobitvijo, ki se je začela leta 2010. FOTO: Saša Senica  

»Kataloge o dogodkih objavljamo vsakega pol leta. Zaznave gravitacijskih valov pa lahko pravzaprav spremlja vsakdo, prek aplikacij za pametne telefone, v katere se v skoraj realnem času nalagajo podatki. Tako lahko kdorkoli takoj vidi, ali smo zaznali kandidata za gravitacijske valove. Nato sledi natančnejša analiza, da se kandidate potrdi ali ovrže,« je povedal William Katzman.

Od takrat so zaznali več podobnih dogodkov, da sta se zlili dve črni luknji, 17. avgusta 2017 so zaznali tudi dogodek GW 170817, ki ostaja edinstven. Zlili sta se namreč dve nevtronski zvezdi, kar je ustvarilo ne le gravitacijske valove, ampak tudi druge elektromagnetne signale, ki so jih v različnih spektrih svetlobe opazovali z več kot 70 observatoriji.

Med našim obiskom sredi aprila so Ligo (in Virgo) ravno vzpostavljali za nadaljevanje opazovalnega obdobja O4 (prva faza O4a je trajala od maja 2023 do januarja letos, nato so sledila nekajmesečna vzdrževala dela). Detektorje vseskozi nadgrajujejo, da so občutljivejši, prav tako so metode analize vse naprednejše, med drugim menijo, da bodo z novimi podatki spoznavali na primer lastnosti in sestavo nevronskih zvezd, prav tako upajo, da bodo razširili znanje o gravitacijskih valovih ozadja. Pričakujejo, da bodo v 18 mesecih delovanja odkrili več kot 160 dogodkov, še posebej pa jih zanimajo gravitacijski valovi, ko se ustvari še »svetlobna« sled trčenja, in dogodki, ko gre za trčenja med »mejnimi« telesi – ko na primer zaradi mase objekta ni povsem jasno, ali gre za črno luknjo ali nevtronsko zvezdo, je dejal Katzman.

O takem dogodku so raziskovalci sicer poročali v začetku aprila. Maja lani so namreč po vnovičnem zagonu Liga, Virga in Kagre zaznali signal gravitacijskega vala GW230529, ki je bil posledica trčenja najverjetneje nevtronske zvezde (eno izmed teles je imelo maso 1,2 do 2 Sonca) in objekta z 2,5- do 4,5-kratnikom mase Sonca. S tako maso nebesno telo pade v vrzel med najtežjimi znanimi nevtronskimi zvezdami in najlažjimi črnimi luknjami. Gravitacijski val ne more razkriti, za kakšno telo gre. Zlitje GW230529 se je zgodilo okoli 650 milijonov svetlobnih let od Zemlje, ne vedo pa točno, kje se je to zgodilo, saj je valove ujel le Ligo v Livingstonu, ne pa tudi v Hanfordu in Italiji. Posamezen observatorij ne more določiti lokacije dogodka, približno lahko dogodek locirajo, če ga ujamejo vsi trije observatoriji (oba Liga in Virgo), saj lahko glede na lokacije na Zemlji izračunajo, od kod izvira posamezen gravitacijski val. So pa v analizi potrdili, da ni šlo za nekakšno lokalno motnjo detektorja.

Zgornji trije monitorji prikazujejo zaznave potresov, morskih valov in človekovih dejavnosti. FOTO: Saša Senica  

Vlaga in glodavci

Kraka cevi se v okolico razprostirata na karseda ravni podlagi, prav zato so tudi izbrali livinsgstonske ravnice. A po drugi strani je kraj precej vlažen, kar za vakuumske cevi ni najboljše. »V preteklosti smo zaznali puščanje na več mestih. Res je šlo za minimalna puščanja, ampak vseeno je to povzročilo motnje. Odkrili smo, da so za te težave krive miši in podgane ter mikrobi, ki v vlažnem zraku uspevajo in razžirajo jeklo. Gre za mikrobno erozijo in vlaga je za nas zelo zoprna reč. Tako zdaj obe cevi redno razvlažujemo,« je pojasnil Katzman. V Hanfordu težav z vlago nimajo, je dodal. »Imajo pa druge težave. V nekem trenutku so zaznali nenavaden zvok v detektorju. Odkrili so, da so po cevi trkale vrane. Detektorje moramo ustrezno hladiti s tekočim dušikom, tako se na zunanji strani cevi lahko naberejo kristali ledu. Ker je v Hanfordu sušno, so si vrane postregle z ledom, da so se dokopale do vode.«

Detektorji so postavljeni na izredno kompleksnem mehanizmu, da utišajo vse druge motnje. FOTO: Saša Senica

Letni operativni stroški Liga so po podatkih ameriške nacionalne fundacije za znanost (NSF), ki je bila glavna financerka gradnje, okoli 43 milijonov evrov. »Zelo velik strošek je elektrika. Mislim, da plačujemo od 60.000 do 80.000 evrov na mesec za elektriko. In ne, elektrike ne porabljajo laserji, ampak predvsem hladilni sistem,« je dodal Katzman. Skupno pa je NSF v projekt od začetka gradnje do danes vložila več kot milijardo evrov.

Novi, naprednejši observatoriji

Trenutni observatoriji vseskozi doživljajo posodobitve, raziskovalci pa že snujejo nove, še zmogljivejše observatorije s še boljšo ločljivostjo. Indija v sodelovanju z ameriškim Ligom pripravlja observatorij Ligo India, ki bo najverjetneje operativen okoli leta 2031 ali 2032. Evropska vesoljska agencija v sodelovanju z drugimi vesoljskimi agencijami sestavlja Liso, ki bo gravitacijske valove merila na enak način kot v Ligu ali Virgu, s to razliko, da bo Lisa v vesolju. Sestavljali jo bodo trije sateliti, ki bodo v trikotniški postavitvi med seboj oddaljeni 2,5 milijona kilometrov, od Zemlje pa približno 50 milijonov kilometrov. Vsak satelit vsebuje dva teleskopa, dva laserja in dve referenčni masi (dva kilograma težki kocki iz zlata in paladija s stranico 4,6 centimetra), ki so v parih usmerjeni proti drugim satelitom.

V ZDA si želijo postaviti observatorij Cosmic Explorer, ki bi bil vsaj desetkrat bolj občutljiv od Liga. Prav tako bi bil sestavljen iz dveh ločenih observatorijev, eden bi imel kraka v obliki črke L dolga 40 kilometrov, drugi pa 20. Evropski raziskovalci pa nameravajo na meji med Nizozemsko, Belgijo in Nemčijo postaviti podzemni Einsteinov teleskop. Kraki – bili bi trije, postavljeni v trikotnik – bi bili dolgi 10 kilometrov, ležali pa bi od 250 do 300 metrov pod površjem. S temi observatoriji bi lahko spremljali rojevanje črnih lukenj in umiranje zvezd, njihove lastnosti, kakšno je bilo vesolje takoj po velikem poku in kako je nato tekla njegova zgodovina.