Znanstvenici smatraju da ultra niskofrekventni gravitacijski valovi prolaze kroz svemir, a njihov mogući trag otkriven je 2023. u zajedničkim opažanjima međunarodnih kolaboracija koje prate pulsare.
Signal bi mogao biti trag kolektivnih gravitacijskih valova iz brojnih udaljenih izvora, ali i posljedica djelovanja jednog bliskog para supermasivnih crnih rupa.
Kako bi utvrdili odakle signal zapravo dolazi, profesor teorijske fizike Hideki Asada sa Sveučilišta Hirosaki i istraživač Shun Yamamoto s istog sveučilišta razvili su novu metodu koja se temelji na pojavi “otkucaja” (beat) između gravitacijskih valova gotovo jednake frekvencije. Prema njihovoj ideji, ti se otkucaji mogu prepoznati u suptilnim vremenskim odstupanjima radio-pulsova koje pulsari šalju prema Zemlji.
“Kozmički satovi” koji otkrivaju nevidljive valove
Nebo je ispunjeno iznimno preciznim “kozmičkim satovima”: pulsarima, neutronskim zvijezdama koje u pravilnim razmacima odašilju radio-pulseve, poput stalnog otkucavanja metronoma. Radioteleskopi na Zemlji prate njihovu točnost ne samo radi proučavanja samih pulsara, već i kao osjetljiv instrument za mjerenje promjena u svemiru.
Ako nešto nevidljivo naruši prostorvrijeme između pulsara i Zemlje, ritam njihovih pulsova lagano se promijeni. Takve promjene nisu slučajne: slična odstupanja pojavljuju se kod pulsara u istim dijelovima neba, što upućuje na to da kroz svemir prolaze golemi valovi koji postupno savijaju prostor i vrijeme.
“Godine 2023. više međunarodnih timova koji prate pulsare, među njima američki NANOGrav i europske kolaboracije, objavili su snažne dokaze o postojanju gravitacijskih valova nanohertzne frekvencije”, kaže Asada.
Ti valovi imaju periode koji traju mjesecima ili čak godinama, a njihove se valne duljine protežu na više svjetlosnih godina. Za njihovo otkrivanje koriste se udaljeni i iznimno stabilni pulsari, smješteni stotinama ili tisućama svjetlosnih godina od Zemlje.
“Snažan dokaz”, ali još ne i potvrda
“Signal je bio statistički pouzdan, ali ispod granice od pet sigma koju fizičari čestica obično zahtijevaju”, objašnjava Asada. “Dakle, riječ je o snažnom dokazu, ali još ne o potvrđenom otkriću. Ipak, zajednica kozmologa i astrofizičara vjeruje da smo vrlo blizu prvoj pouzdanoj detekciji nanohertznog gravitacijskog vala.”
Potpuna sigurnost još uvijek nedostaje, no ako buduća opažanja potvrde signal, sljedeći će korak biti otkriti njegov izvor.
“Postoje dva glavna kandidata za takve valove”, kaže Asada. “Prvi je kozmička inflacija, proces iz ranog svemira koji je mogao stvoriti fluktuacije prostorvremena kasnije rastegnute na gole razmjere. Drugi su parovi supermasivnih crnih rupa koji nastaju spajanjem galaksija. Oba scenarija mogu proizvoditi valove nanohertzne frekvencije.”
Problem je što se obrasci korelacija u podacima pulsara, način na koji se njihova vremenska odstupanja međusobno podudaraju, dugo smatrao gotovo jednakima u oba slučaja.
“Otkucaji” gravitacijskih valova
“U našem radu razmatrali smo slučaj u kojem bliski par supermasivnih crnih rupa stvara posebno snažan signal”, objašnjava Asada. “Ako dva takva sustava imaju vrlo slične frekvencije, njihovi se valovi mogu međusobno pojačavati i slabiti, stvarajući uzorak sličan otkucajima u akustici. Taj bi efekt mogao pomoći da ih razlikujemo od pozadinskih valova koji potječu iz razdoblja kozmičke inflacije.”
Asada i Yamamoto u istraživanju se oslanjaju na poznat akustički fenomen: kada se dva vala gotovo iste frekvencije preklapaju, njihovo međudjelovanje stvara periodična pojačanja i slabljenja… otkucaje.
U kontekstu gravitacijskih valova to znači da bi dva para supermasivnih crnih rupa sa sličnim frekvencijama mogla ostaviti prepoznatljiv trag modulacije u signalima koje bilježe pulsari. Metoda se temelji na traženju upravo te modulacije, “otkucaja”, u korelacijskim uzorcima pulsara. Ako se ona pojavi, to bi snažno upućivalo na to da signal ne dolazi iz difuzne pozadine, već od određenih, relativno bliskih binarnih sustava.
“Vjerujem da će, kad postignemo potvrđenu detekciju na razini od pet sigma, možda u sljedećih nekoliko godina, sljedeće pitanje biti: što je izvor tih valova? U tom bi trenutku naša metoda mogla biti ključna za razlikovanje dolaze li iz razdoblja inflacije ili od obližnjih parova supermasivnih crnih rupa”, zaključuje Asada.
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.
