Stojimo li na pragu otkrića dosad nepoznatih zakona fizike?

U svijetu astronomije, astrofizike i kozmologije vlada veliko uzbuđenje zahvaljujući napretku u tehnologijama opservatorija, sofisticiranim instrumentima i novim metodama istraživanja. Ovaj napredak omogućava znanstvenicima da se približe eksperimentalnom provjeravanju teorija koje su do sada uglavnom ostale neispitane. Kako prenosi Universe Today, te teorije pokušavaju odgovoriti na neka od najvažnijih pitanja o Svemiru i fizičkim zakonima koji ga upravljaju, uključujući prirodu gravitacije, tamne tvari i tamne energije. Desetljećima su znanstvenici sugerirali da ili postoji neka nepoznata fizika ili da naš trenutno vodeći kozmološki model zahtijeva reviziju. Istraživanja o postojanju i prirodi tamne materije i tamne energije su u tijeku, dok se paralelno razmatraju i teorije o mogućim novim fizikalnim zakonima.

Tim istraživača iz NASA-e nedavno je predložio kako bi svemirske letjelice mogle tragati za dokazima o dodatnim fizikalnim fenomenima unutar našeg Sunčevog sustava. Prema njihovoj tezi, ova potraga bila bi olakšana korištenjem letjelica koje bi letjele u tetraedarskoj formaciji i koristile interferometre. Takva misija mogla bi razriješiti jednu od najvećih kozmoloških misterija s kojom se znanstvenici susreću već više od pedeset godina. Inicijativu predvodi Slava G. Turyshev, docent za fiziku i astronomiju na Sveučilištu Kalifornija u Los Angelesu (UCLA) i istraživač u Laboratoriju za mlazni pogon NASA-e (JPL). U istraživanju su mu se pridružili Sheng-wey Chiow, eksperimentalni fizičar u NASA JPL, i Nan Yu, docent na Sveučilištu Južna Karolina i viši istraživački znanstvenik u NASA JPL. Njihov znanstveni rad nedavno je objavljen online i prihvaćen za objavu u časopisu Physical Review D.

Turyshev je ranije bio član znanstvenog tima misije Gravity Recovery And Interior Laboratory (GRAIL). U prethodnim radovima, on i njegovi kolege razmatrali su kako bi misija usmjerena na Sunčevu gravitacijsku leću (SGL) mogla revolucionirati polje astronomije. Njegov konceptualni rad dobio je sredstva treće faze od NASA-inog programa za inovativne napredne koncepte (NIAC) 2020. godine. U jednom od prethodnih istraživanja, zajedno s astronomom SETI-a Claudiom Macconeom, razmatrao je kako bi napredne civilizacije mogle koristiti SGL-ove za prijenos energije iz jednog sunčevog sustava u drugi. Ukratko, fenomen gravitacijskih leća je pojava u kojoj gravitacijska polja mijenjaju zakrivljenost prostor-vremena u svojoj neposrednoj blizini. Ovaj učinak prvi je predvidio Albert Einstein 1916. godine, a koristio ga je Arthur Eddington 1919. godine kako bi potvrdio Einsteinovu teoriju opće relativnosti.

Razvoj teorija

Međutim, tijekom razdoblja od 1960-ih do 1990-ih, promatranja rotacijskih krivulja galaksija i širenja svemira dovela su do razvoja novih teorija o prirodi gravitacije na većim kozmičkim razmjerima. S jedne strane, znanstvenici su postulirali postojanje tamne materije i tamne energije kako bi uskladili svoja promatranja s teorijom opće relativnosti. S druge strane, razvijene su alternativne teorije gravitacije poput Modificirane Newtonove Dinamike (MOND) i Modificirane Gravitacije (MOG). Istovremeno, neki znanstvenici predlažu da u kozmosu postoje dodatni fizikalni zakoni koji još nisu otkriveni. Kako je Turyshev izjavio za Universe Today putem e-maila: “Želimo istražiti pitanja koja okružuju misterije tamne energije i tamne tvari. Iako su otkrivene u prošlom stoljeću, njihovi osnovni uzroci i dalje su nejasni. Ako ove ‘anomalije’ proizlaze iz novih fizikalnih zakona—fenomena koji do sada nisu opaženi ni u zemaljskim laboratorijima ni u akceleratorima čestica—moguće je da bi se ova nova sila mogla manifestirati na razini cijelog Sunčevog sustava.”

U svojoj najnovijoj studiji, Turyshev i njegovi suradnici istraživali su kako bi niz svemirskih letjelica leteći u tetraedarskoj formaciji mogao proučavati Sunčevo gravitacijsko polje. Ova istraživanja, kako ističe Turyshev, tražila bi odstupanja od predviđanja opće relativnosti na razini Sunčevog sustava, što do sada nije bilo moguće ostvariti: “Ova odstupanja bi se teoretski mogla manifestirati kao nenulte vrijednosti u tenzoru gravitacijskog gradijenta (GGT), što je u osnovi analogno rješenju Poissonove jednadžbe. Zbog njihove iznimno male prirode, detekcija ovih odstupanja zahtijeva preciznost koja značajno premašuje trenutne sposobnosti—barem pet redova veličine. Na tako visokoj razini preciznosti, mnogi dobro poznati efekti unijet će značajnu buku. Strategija uključuje izvođenje diferencijalnih mjerenja kako bi se eliminirao utjecaj poznatih sila, čime bi se otkrile suptilne, ali ipak nenulte, vrijednosti GGT-a.”

Lokalne metode mjerenja

Misija, kako naglašava Turyshev, koristit će lokalne metode mjerenja koje se oslanjaju na niz interferometara. To uključuje interferometrijsko lasersko mjerenje, tehniku demonstriranu u misiji Gravity Recovery and Climate Experiment Follow-On (GRACE-FO), paru svemirskih letjelica koji se oslanjaju na lasersko mjerenje udaljenosti za praćenje Zemljinih oceana, ledenjaka, rijeka i površinskih voda. Ista tehnika će se također koristiti za istraživanje gravitacijskih valova putem predložene svemirske laserske interferometrijske antene (LISA). Svemirske letjelice će također biti opremljene atomskim interferometrima, koji koriste valnu prirodu atoma za mjerenje razlike u fazi između atomske materije valova duž različitih putanja. Ova tehnika omogućit će svemirskim letjelicama detekciju prisustva negravitacijske buke (aktivnost pogona, pritisak sunčeve radijacije, toplinske povratne sile itd.) i njihovo uklanjanje do potrebnog stupnja.

U međuvremenu, let u tetraedarskoj formaciji optimizirat će sposobnost svemirskih letjelica za precizno uspoređivanje mjerenja. “Lasersko mjerenje će nam pružiti iznimno točne podatke o udaljenostima i relativnim brzinama između svemirskih letjelica,” ističe Turyshev. “Osim toga, njegova izuzetna preciznost omogućit će nam mjerenje rotacije tetraedarske formacije u odnosu na inercijalni referentni okvir (putem Sagnacovih promatranih vrijednosti), što je zadatak koji nije moguće postići drugim metodama. Posljedično, to će uspostaviti tetraedarsku formaciju koja koristi niz lokalnih mjerenja.”

Na kraju, ova misija će testirati opću relativnost na najmanjim skalama, što do sada nije bilo moguće. Dok znanstvenici nastavljaju istraživati utjecaj gravitacijskih polja na prostor-vrijeme, do sada su se takva istraživanja uglavnom ograničavala na korištenje galaksija i skupova galaksija kao leća. Drugi primjeri uključuju promatranja kompaktnih objekata, poput bijelih patuljaka, te supermasivnih crnih rupa poput Sagittariusa A* koji se nalazi u središtu Mliječne staze.

“Cilj nam je poboljšati preciznost testiranja opće relativnosti i alternativnih teorija gravitacije za više od pet redova veličine,” zaključuje Turyshev. “Osim ovog primarnog cilja, naša misija ima dodatne znanstvene ciljeve, koje ćemo detaljnije opisati u našem sljedećem radu. To uključuje testiranje opće relativnosti i drugih teorija gravitacije, detekciju gravitacijskih valova u mikrohertznom rasponu—spektru koji nije dostupan postojećim ili zamišljenim instrumentima—i istraživanje aspekata Sunčevog sustava, kao što je hipotetički Planet 9, među ostalim pothvatima.”