Dvojica fizičara predstavila su potencijalnu novu metodu korištenja međusobnog kretanja Mjeseca i Zemlje za detekciju gravitacijskih valova.
Prve gravitacijske valove, odnosno trzaje u prostor-vremenu koji nastaju kao rezultat velikih astronomskih događaja, otkrili smo 2015. godine nakon više desetljeća njihovog predviđanja u sklopu opće teorije relativnosti. Val koji smo detektirali nastao je spajanjem dvaju crnih rupa solarne mase udaljenih oko 1,3 milijardi svjetlosnih godina, no ti valovi mogu nastati na i na mnoge druge načine, kao što su spajanje drugih teških objekata poput zvijezda, rotacija asimetričnih sfera ili pak jake supernove. Tu su i tzv. stohastički gravitacijski valovi, odnosno niz slabih gravitacijskih signala kojima ne znamo uzrok, no koji su vjerojatno posljedica događaja iz ranog svemira.
LIGO—Virgo—LISA—pulsari
No gravitacijski valovi, kao i svi drugi valovi, javljaju se na širokom spektru frekvencija i različiti izvori generirati će valove različitih frekvencija, a zbog toga su nam potrebne različite metode detekcije. Postojeći sustavi-opservatoriji LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) i njegov kolega Virgo, koji su između ostalog i detektirali spomenuti val 2015. godine, pokrivaju frekvencije u rangu do 10 do 1000 Hz. Slično njima, nadolazeći opservatorij LISA (Laser Interferometer Space Antenna) kojeg planiramo izgraditi u svemiru u idućih petnaest godina biti će sposoban detektirati valove na frekvencijama od 0,1 do 100 miliherca (10-3 Hz). Uz naše opservatorije tu su i „prirodni“ detektori, kao što je metoda praćenja pomutnji u signalima s inače vrlo preciznih pulsara, čime se traže valovi na frekvencijama reda veličine nanoherca (10-9 Hz).
Problem u cijeloj priči je taj što postojeće metode ostavljaju “rupe” na frekvencijskom spektru gravitacijskih valova koje smo sposobni detektirati, a najveća od tih rupa nalazi se na redu veličine mikroherca (10-6 Hz). Da bismo detektirali takve valove jednostavno nam je potrebna nekakva nova metoda ili tehnologija, a dvojica fizičara, Diego Blas (Autonomno sveučilište u Barceloni) i Alexander C. Jenkins (King’s College London), friško su objavili rad u kojem predstavljaju svoje rješenje. Prema njima, možda je moguće u tu svrhu koristiti ni više ni manje nego Zemljin prirodni satelit.
Svi detektori i metode detektiranja gravitacijskih valova funkcioniraju tako što promatraju njihovo remećenje (rastezanje i kompresiranje) prostor-vremena između izvora vala i nas. Kod pulsara, recimo, odstupanja elektromagnetskog zračenja koje isijavaju od očekivanih frekvencijskih vrijednosti interpretiramo upravo kao tu pomutnju. Isto tako, LIGO i Virgo koriste laserske sustave gdje su dva laserska izvora međusobno u fazi (vremenski im se poklapaju valovi svjetlosti) sve dok ne naleti gravitacijski val koji ih izbije iz faze. LISA, jednom kad bude izgrađen, raditi će isto to samo u svemiru na daleko većim udaljenostima laserskih izvora, pa će taj sustav zato biti i puno osjetljiviji na gravitacijske valove.
Fly Me to the Moon
Zašto ne bismo, pitaju se Blas i Jenkins, počeli sagledavati i način na koji gravitacijski valovi utječu na kretanje nebeskih tijela? Svako tijelo time što ima masu podložno je gravitacijskom utjecaju, makar taj utjecaj bio toliko malen da je nebitan i neprimjetan. Ono što ga može učiniti primjetnim je situacija kad se tijelo nalazi u paru s nekakvim drugim tijelom i kad oni čine nekakav binarni sustav. U tom slučaju, svaki nalet gravitacijskog vala i njegovo rastezanje prostor-vremena, Einsteinovom terminologijom, ujedno rasteže i orbite tijela u sustavu.
Upravo tu logiku možda možemo primijeniti na sustav Zemlja-Mjesec, ne samo zato što nam je on najbliži i najlakši (jedini dostupni, zapravo) za mjerenje toliko sitnih utjecaja, već zato što je odnos Mjesečeve i Zemljine orbite u rezonanciji s redom veličine mikroherca. Mjesec, drugim riječima, kruži oko Zemlje taman 28 dana, odnosno 106 sekundi, što rezonira s mikrohercima (10-6 Hz) valova koje želimo detektirati. Tom metodom, nadalje, akumuliraju se utjecaji valova na sustav svaki put kad ga pogodi val koji traje duže od trajanja perioda sustava. Kombinacijom rezoniranja i akumulacije inače nezamjetni utjecaji postaju itekako zamjetni, pa tako i korisni.
No kako zapravo mjeriti tako sitne gravitacijske pomutnje? Opet—laserima. Na Mjesecu se već nalazi pet retrorefklektora koji odbijaju svjetlosni izvor tamo odakle je došao i koje su na njemu ostavili za sobom američki astronauti i sovjetske sonde 1960-ih i 1970-ih, a nadolazeće misije Artemis samo nam mogu poboljšati tu situaciju. Otkad su ti uređaji postavljeni koristimo ih za mjerenje udaljenosti Mjeseca od Zemlje (umnožak vremena puta laserskog snopa i brzine svjetlosti), a ako uspijemo doseći preciznost od 0,1 mm to bi trebalo biti dovoljno za detekciju gravitacijskih valova.
Čak i ako ne uspijemo tehnološki izvesti takav sustav, metoda koju su predstavili Blas i Jenkins (Physical Review Letters, vol. 128, br. 10-11) iznimno je zanimljiv i plodan teoretski doprinos području interferometrije.
Pridružite se raspravi u našoj Telegram grupi. KOZMOS Telegram
Izvori:
Blas, Diego i Alexander C. Jenkins. „Detecting stochastic gravitational waves with binary resonance“. Physical Review Letters, vol. 128, br. 10-11. https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.105.064021 (16.2.2023.).
Clarke, Emma. „Detecting Gravitational Waves with the Moon“. Astrobites, 2023. https://astrobites.org/2023/02/08/detecting-gravitational-waves-with-the-moon/ (16.2.2023.).
Zaljubljenik u astronomiju od malih nogu. Diplomirani anglist. U slobodno vrijeme vjerojatno s frendovima u obližnjem kafiću. U paralelnom svemiru sam nešto od sljedećeg: pomorac, fizičar, astronaut, pisac, željezničar.
