Po 15 letih opazovanj končno našli dokaz o 'mrmranju' vesolja

Ko dve masivni črni luknji trčita, to močno »odmeva« skozi vesolje, saj tkanina vesolja zavibrira. Močne gravitacijske valove na Zemlji lovita detektorja Ligo in Virgo. Vendar monstruozni luknji, ki se vrtita okoli druga druge, skozi prostor-čas pošiljata gravitacijske valove že preden trčita. Ti so manj glasni in kar 15 let so jih lovili v mrežo radijskih teleskopov skupine Severnoameriškega nanoherčnega observatorija (Nanograv). 

Raziskovalci so, kot je razbrati v znanstvenem članku v reviji Astrophysical Journal Letters, potrdili obstoj tako imenovanih gravitacijskih valov ozadja. Te ustvarjajo supermasivne črne luknje, z maso nekaj milijard Sonc, ki krožijo okoli druga druge. Skozi vesolje je to slišati kot mrmranje. Pri Nasinem laboratoriju JPL, kjer so tudi sodelovali pri raziskavi, so gravitacijske valove ozadja opisali, kot da bi slišali pogovarjanje večjega števila ljudi na zabavi, a ne bi razbrali posameznih glasov.

V skupini Nanograv sodeluje več kot 190 raziskovalcev iz ZDA in Kanade, pri raziskavi pa se zanašajo na opazovanje pulzarjev. Neodvisno so rezultatom Nanograva prikimale tudi skupine iz Evrope, Indije, Avstralije in Kitajske, ki so prav tako zaznale podobne signale, so zapisali v sporočilu za javnost, objavljenem na spletni strani Nanograv.

Gravitacijske valove je že leta 1916 napovedal Albert Einstein. Vesolje je predstavil kot prožno tkanino prostor-čas, ki jo masivni objekti ukrivljajo. Leta 2015 so njegovo teorijo valov potrdili, ko so z Ligom in Virgom zaznali signal zlitja dveh črnih lukenj z maso okoli 30 mas Sonca.

Kjer gravitacijski valovi pustijo svoj odtis

Utripajoči pulzarji

Skupina Nanograv je za zaznavanje šibkejših gravitacijskih valov sestavila detektor, veliko večji, kot je Zemlja. Ozrla se je namreč v 68 pulzarjev (to so ostanki zvezde po njeni smrti, gre za zelo namagnetene vrteče se nevtronske zvezde, ki oddajajo curke svetlobe) in jih povezala v mrežo. Za opazovalce na Zemlji pulzarji utripajo, ko se vrtijo in oddajajo žarke. Če skozi njih pripotuje gravitacijski val in raztegne ali skrči prostor-čas, se spremeni sicer natančno in časovno usklajeno vrtenje oziroma utripanje. Kako gravitacijski valovi vplivajo na signale pulzarjev, predvideva Einsteinova teorija splošne relativnosti. Sprememba pa je praktično neznatna, vzrokov zanjo bi bilo lahko več, zato je bila skupina pazljiva pri objavi rezultatov in je kar 15 let opazovala vesolje in potrpežljivo zbirala podatke za trden dokaz. Že v začetku leta 2021 je skupina sicer sporočila, da podatki kažejo, da so zaznali gravitacijske valove ozadja, vendar so bili previdni. Danes pa poročajo, da zbrani podatki dokazujejo, da je signal ujemajoč se s teorijo, kako ti gravitacijski valovi potujejo skozi Galaksijo.

Pulzarji razkrivajo valovanje tkanine vesolja

Ogromni črni luknji z maso nekaj milijard Sonc se lahko srečata, ko se združita dve galaksiji. To je v nepredstavljivo velikem vesolju pogost pojav, prav tako lahko minejo eoni, ko luknji plešeta, tako je vesolje preplavljeno s temi signali. Prav zato ga opisujejo kot šum ali mrmranje, v znanstvenem jeziku pa to imenujejo ozadje, saj ne detektirajo enega samega vira.

»To je ključni dokaz za obstoj gravitacijskih valov nizkih frekvenc. Po več letih dela Nanograv odpira povsem novo okno na področju gravitacijskih valov,« je poudaril dr. Stephen Taylor z univerze Vanderbilt, soavtor znanstvenega članka in trenutni predsednik skupine.

Ilustracija: Olena Shmahalo/NANOGrav  

Pulzarji oddajajo zelo šibke radijske valove, ki so jih lovili z več radijskimi teleskopi, in sicer teleskopi Green Bank v Zahodni Virginiji, Very Large Array v Novi Mehiki in Arecibu v Portoriku (slednji se je žal pred leti porušil). »Gre za tako šibke radijske valove, da smo morali na največjih teleskopih podatke zbirati tisoče ur na leto,« je pokomentirala dr. Maura McLaughlin z univerze v Zahodni Virginiji.

Tako se je sesul observatorij Arecibo

»Veliko število pulzarjev, ki smo jih opazovali, nam je omogočila, da smo videli prve znake, ki sovpadajo z vzorcem, predvidenim s teorijo relativnosti,« je pojasnil astronom z univerze v Oregonu dr. Xavier Siemens.

»Zdaj, ko imamo dokaze o gravitacijskih valovih ozadja, je naslednji korak, da preučimo, od kod izvirajo,« je povedala dr. Sarah Vigeland z univerze Wisconsin. Dr. Luke Kelley z univerze v Kaliforniji Berkeley je dodal, da imajo zdaj končno dokaz, da binarne črne luknje obstajajo in da so dovolj blizu skupaj, da oddajajo šibke gravitacijske valove. »Ko sta črni luknji dovolj blizu druga drugi, da oddajata signale, ki smo jih opazili s pulzarji, ju nič ne more ustaviti, da čez nekaj milijonov let ne trčita,« je še pojasnil.

Prihodnje raziskave signalov bodo ugotavljale evolucijo vesolja, ti podatki lahko razkrivajo, kako pogosto trčijo galaksije, kaj požene dve luknji, da se dokončno zlijeta. Morda so v tem ozadju skriti tudi gravitacijski valovi samega velikega poka, so povedali v skupini Nanograv.

»Uporabljamo detektor gravitacijskih valov, velik kot galaksija, ki je sestavljen iz eksotičnih zvezd. Neverjetno, kajne,« je opomnil dr. Scott Ransom z ameriškega nacionalnega observatorija za radijsko astronomijo. »V prvih podatkih smo nekaj slišali, a nismo vedeli kaj. Zdaj vemo, da gre za glasbo, ki jo ustvarja gravitacijsko vesolje. Bolj, kot bomo poslušali, lažje bomo razbrali posamezne tone, ki jih igra kozmični orkester. Ti rezultati bodo v kombinaciji z drugimi študijami galaksij in evolucije vesolja zagotovo spremenili naše razumevanje, kako se vesolje razvija,« je pojasnil.

Skupina je rasla, ko se je izboljševala tehnologija

Zgodba skupine se je začela leta 2004. Nekaj astronomov je začelo opazovati pulzarje, nato je številčnost in raznolikost skupine rastla, dobili pa so tudi dostop do boljših radijskih teleskopov, hkrati pa je strojno učenje omogočalo vse boljšo analizo velike količine zbranih podatkov. Kot je pojasnil dr. Joseph Swiggum s kolidža Lafayette, so vsa orodja in uporabljena metodologija javno dostopna in lahko skupine astronomov po vsem svetu pretresajo dobljene ugotovitve.

Rezultate bodo predstavili na novinarski konferenci, ki jo bodo prenašali v živo: