Prije deset godina, detektori LIGO-a prvi su put izravno zabilježili gravitacijske valove – poremećaje prostor-vremena koje je Albert Einstein predvidio još 1915. godine. To otkriće označilo je početak gravitacijske astronomije i zauvijek promijenilo način na koji promatramo svemir. Danas mreža LIGO–Virgo–KAGRA (LVK) bilježi na stotine spajanja crnih rupa i neutronskih zvijezda, testirajući temeljne zakone fizike i proširujući granice znanja.
Dana 14. rujna 2015. signal je stigao na Zemlju nakon što je putovao 1,3 milijarde godina brzinom svjetlosti. Nije bio elektromagnetski val, nego valovitost prostor-vremena nastala spajanjem dviju udaljenih crnih rupa.
Detektori LIGO-a u Hanfordu (Washington) i Livingstonu (Louisiana) tada su po prvi put izravno potvrdili postojanje gravitacijskih valova. Bio je to trenutak koji je preoblikovao znanost: istraživači su od tog dana mogli opažati svemir na tri načina – kroz elektromagnetsko zračenje, kroz čestice (kozmičke zrake i neutrine) te kroz gravitacijske valove.
Za to otkriće Nobelovu nagradu za fiziku 2017. godine primili su Rainer Weiss (MIT), Barry Barish i Kip Thorne (Caltech). Weiss je preminuo 2023. u 92. godini.
Od jedne detekcije do stotina
Deset godina poslije, LIGO rutinski registrira prosječno jedno spajanje crnih rupa svaka tri dana. U suradnji s talijanskim detektorom Virgo i japanskim KAGRA-om, mreža LVK do danas je zabilježila oko 300 spajanja crnih rupa, neka potvrđena, a neka još u analizi.
U aktualnom četvrtom ciklusu promatranja LVK je već detektirao oko 220 kandidata za spajanja, što je više nego dvostruko od ukupnog broja u prva tri ciklusa zajedno.
Uspjeh LIGO-a temelji se na tehnološkim inovacijama. Detektori mjere promjene prostor-vremena manje od jedne deset-tisućinke širine protona, što je oko 700 bilijuna puta tanje od ljudske vlasi.
“Rai Weiss je predložio ideju LIGO-a još 1972. i u početku sam bio skeptičan. Tek nakon tri godine rasprava i razmišljanja shvatio sam da bi projekt mogao uspjeti. Najveći izazov bilo je smanjenje šuma koji zaklanja signal – morali smo izumiti potpuno novu tehnologiju“, prisjetio se Kip Thorne.
Nergis Mavalvala s MIT-a naglašava da izazovi iz prvog otkrića i dalje traju: “Od izuzetne preciznosti detektora, preko teorija o izvorima gravitacijskih valova, do analize podataka – stalno pomičemo granice. LIGO je i dalje tehnološko čudo.”
Novi testovi temeljnih zakona fizike
Najnoviji signal, GW250114, stigao je 14. siječnja 2025. i nalikovao je onom prvom iz 2015. Oba događaja uključivala su crne rupe mase 30–40 Sunaca, udaljene 1,3 milijarde svjetlosnih godina. No zahvaljujući desetljeću tehnoloških unapređenja, GW250114 bio je znatno jasniji.
Analiza signala GW250114 dala je dosad najjaču potvrdu tzv. Hawkingove teoreme o površini crnih rupa. Prema toj ideji, ukupna površina crnih rupa uvijek mora rasti, čak i nakon sudara i spajanja. Drugim riječima, crne rupe ne mogu izgubiti dio svoje “granice” – horizont događaja – nego ga mogu samo povećati.
U ovom slučaju, dvije crne rupe imale su zajedničku površinu od oko 240 tisuća kvadratnih kilometara. Nakon što su se stopile u jednu, konačna crna rupa imala je površinu od oko 400 tisuća kvadratnih kilometara. Rast površine bio je jasan i precizan, a razina pouzdanosti rezultata iznosila je gotovo apsolutnih 100 % (99,999 %).
“Sada možemo čuti spajanje crnih rupa jasno i glasno, i to nam omogućuje testiranje temeljnih zakona fizike”, kaže Katerina Chatziioannou s Caltecha, koautorica studije objavljene u časopisu Physical Review Letters.
Završna faza spajanja crnih rupa
Posebno važna bila je analiza tzv. ringdown faze – završnog stadija nakon sudara, kada se novonastala crna rupa postupno stabilizira i pritom emitira karakteristične gravitacijske valove. Istraživači su po prvi put uspjeli jasno izdvojiti dva različita obrasca valova u toj fazi, potvrđujući matematičke modele koje je još 1972. razvio Saul Teukolsky.
Druga studija LVK-a pokazala je da u promatranom signalu nema trećeg, višeg obrasca valova, čime su provedeni najstroži testovi dosad o točnosti opće teorije relativnosti u opisivanju spajanja crnih rupa.
LIGO i Virgo tijekom proteklog desetljeća nisu otkrivali samo crne rupe. U kolovozu 2017. detektirali su koliziju dviju neutronskih zvijezda – tzv. kilonovu – koja je izbacila zlato i druge teške elemente u svemir. Događaj je pratilo više od deset teleskopa širom svijeta, koji su zabilježili svjetlosno zračenje u rasponu od gama-zraka do radio valova. Bio je to prvi primjer tzv. multi-messenger astronomije, gdje se isti kozmički događaj promatra istodobno gravitacijskim valovima i svjetlošću.
“Danas mreža LVK osigurava javno dostupne podatke i upozorenja unutar jedne minute, što astronomima omogućuje da brzo usmjere teleskope prema mogućim kilonovama”, ističe Jenne Driggers, viša znanstvenica LIGO Hanforda.
Novi nalazi i tehnološki iskoraci
Tijekom proteklog desetljeća mreža LVK otkrila je niz neobičnih i neočekivanih događaja. Među njima su i sudari crnih rupa s neutronskim zvijezdama, zatim nesimetrična spajanja u kojima je jedna crna rupa višestruko masivnija od druge, kao i otkrivanje dosad najlakših poznatih crnih rupa – što dovodi u pitanje postojanje tzv. “praznine mase” između neutronskih zvijezda i crnih rupa. Posebno se ističe i rekordno spajanje dviju crnih rupa ukupne mase 225 Sunčevih masa, čime je znatno nadmašen prethodni rekord od 140 Sunaca.
Paralelno s astrofizičkim otkrićima, razvoj LIGO-a donio je i niz tehnoloških inovacija s dalekosežnim primjenama. Već 1983. razvijena je Pound–Drever–Hall tehnika stabilizacije lasera, danas ključna u razvoju atomskih satova i kvantnih računala. Uvedeni su posebni premazi zrcala koji gotovo savršeno reflektiraju lasersku svjetlost te alati za tzv. kvantno “stišavanje” šuma, kojima se nadilaze granice osjetljivosti nametnute kvantnom fizikom. Uz to, sve se više primjenjuju i napredne metode umjetne inteligencije za filtriranje neželjenih signala.
“Unutar LIGO-a zapravo štitimo kvantnu informaciju i sprječavamo njezino uništavanje vanjskim faktorima. Te tehnike danas postaju temelj kvantnog inženjerstva s primjenama u računalima i senzorima”, objašnjava Nergis Mavalvala s MIT-a.
Pogled u budućnost
Znanstvenici i inženjeri planiraju izgradnju LIGO India, trećeg LIGO opservatorija, što će znatno poboljšati preciznost lokalizacije izvora gravitacijskih valova. Paralelno se razvijaju i još ambiciozniji projekti: američki Cosmic Explorer s interferometarskim cijevima dugim 40 kilometara te europski Einstein Telescope, koji će imati podzemne detektore s cijevima duljine više od 10 kilometara.
Takvi će detektori omogućiti bilježenje najranijih spajanja crnih rupa u povijesti svemira.
“Prije samo deset godina LIGO je otvorio vrata gravitacijskim valovima i promijenio način na koji čovječanstvo promatra svemir. Najnovija otkrića pokazuju da smo tek na početku”, izjavio je Aamir Ali iz Nacionalne zaklade za znanost (NSF), koja od samih početaka financira projekt.
Gravitacijska astronomija danas je jedno od najbrže rastućih područja fizike. LIGO, Virgo i KAGRA ne samo da otkrivaju crne rupe i neutronske zvijezde, nego izravno testiraju temelje fizike, od Einsteinove opće relativnosti do Hawkingovih predviđanja. A s novom generacijom detektora, granica promatranog svemira tek će se nastaviti širiti.
Ivan je novinar i autor koji piše o znanosti, svemiru i povijesti. Gostuje kao stručni sugovornik na Science Discovery i History Channelu te piše za Večernji list. Osnivač je Kozmos.hr, prvog hrvatskog portala posvećenog popularizaciji znanosti.
