Pe înțelesul tuturor: ce sunt undele gravitaționale și cum au fost confirmate ieri

Au fost știri multe ieri despre descoperirea experimentală a undelor gravitaționale, confirmând o teorie veche de când Einstein, așa că, precum în multe alte ocazii, voi încerca să explic în cuvinte mai simple care-i faza, ca să puteți avea o conversație romantică de Valentine’s Day pe acest subiect. Din experiența mea, astfel de subiecte întotdeauna atrag și excită femeile.

CUM E TREABA ASTA DESPRE CURBURA SPAȚIULUI

În teoria relativității, cea a lui Einstein, corpurile foarte grele deformează spațiul din jurul lor, îi modifică anumite caracteristici, ca să spun așa. Cea mai simplă analogie uzual prezentată este a unui pat pe care pui un obiect greu, iar acesta se afundă în saltea, deformând-o, curbând-o spre el.

Din acest motiv se spune că spațiul este curbat în jurul obiectelor grele precum planete, stele și desigur alte corpuri stelare deosebite, cum sunt găurile negre. Însuși felul în care planetele orbitează în jurul Soarelui este pus pe seama acestei deformații a spațiului, planetele “cad” în acea “adâncitură” și nu mai pot ieși, rotindu-se la infinit în jurul corpului greu.

Iată o reprezentare grafică luată de pe Wikipedia:

CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=86682

CE SUNT UNDELE GRAVITAȚIONALE

Corpurile grele generează gravitație în jurul lor, acea curbură a spațiului. Pământul ne atrage pe noi și ne ține lipiți de sol, Pământul orbitează în jurul Soarelui, Soarele orbitează și el în jurul centrului galaxiei, unde este o gaură neagră uriașă ce-l atrage. “Întotdeauna este un pește mai mare” ar putea fi legea nescrisă a gravitației.

Toate corpurile din Univers “emit” simultan gravitație spre toate celelalte din jur. Tăria forței depinde și de distanța dintre ele, astfel încât influența altor stele sau găuri negre îndepărtate asupra Pământului este infimă față de cea a Soarelui, motiv pentru care în majoritatea calculelor nici nu contează.

Undele gravitaționale sunt variații în gravitația exercitată de anumite corpuri. Dacă apeși și mai tare salteaua patului într-un loc, deformarea acesteia va fi și mai mare. Ridică mâna și deformarea scade. Variază această deformare în timp (imaginează-ți un copil ce sare pe o trambulină într-un parc de distracție) și vei obține valuri, creșteri și descreșteri ale intensității ei.

În teoria spațiului curbat, variația gravitației exercitate de un corp produce tot valuri, doar că unele gravitaționale, iar în loc de valuri, cercetătorii le numesc “unde”.

CUM SUNT PRODUSE UNDELE GRAVITAȚIONALE

Aici intervine de fapt șmecheria întregului experiment și de ce a fost atât de dificil de pus în practică.

Vedeți voi, un corp greu deformează spațiului din jurul său și gata, acesta rămâne deformat. Nu variază nimic, nu se produc unde.

Corpurile nu devin mai grele sau mai ușoare peste noapte, nu cât să genereze modificări măsurabile în gravitația lor. Dacă așezi o barcă pe suprafața unui lac, ai produs un singur val și atât. Noi avem nevoie de o variație continuă pentru a o putea sesiza și măsura.

Ce produce o variație continuă? Păi, trebuie să miști acea barcă prin apă pentru a genera mereu un val, că așa se întâmplă când o barcă despică apa.

Acum să trecem înapoi la astrofizică. Un corp masiv curbează spațiul din jurul său. Ca să și vedem o variație a acelei curburi, corpul masiv trebuie să fie în mișcare.

Planetele, Soarele, alte stele, toate se mișcă în Univers, dar nu sunt suficient de grele, de masive, pentru a genera unde gravitaționale măsurabile cu ce instrumente avem noi acum. Vă zic mai jos niște cifre, vorbim de variații la a miliarda miliarda parte.

A fost deci nevoie să găsim corpuri super-masive care să fie în mișcare, iar atenția s-a îndreptat spre găurile negre. Acestea sunt foarte grele, pot cântări de zeci, sute sau mii de ori cât Soarele nostru, și deci forța gravitațională exercitată de ele este la fel de mare. Spre ele s-a îndreptat cercetarea.

Acum, în analogia mea cu vaporul care circulă prin apă și generează o undă puteți observa o problemă: generează o singură undă. Dacă tu stai în apă la 100 de metri de vaporul ce merge în treaba lui, vei simți la un moment dat valul produs de trecerea acestuia – dar numai un val! Unul singur, care trece de tine și continuă mai departe. Pentru a studia cu adevărat undele gravitaționale, avem nevoie să fim loviți aici pe Pământ de multe valuri produse de același corp, în succesiune, astfel încât din diferența dintre ele să putem trage concluzii.

Cum faci ca un vapor să trimită spre tine val după val? Păi îl pui să treacă de mai multe ori pe acolo. Cel mai simplu mod în care poți face asta este să-l pui să meargă în cerc, generând astfel constant valuri ce se îndepărtează de el ca o spirală sau ca niște cercuri concentrice.

Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=186327

Corpurile stelare nu merg în cerc de capul lor, ci fac asta doar când orbitează ceva greu. Prin urmare, din tot ce-am zis mai sus rezultă cele două condiții pentru a fi “loviți” aici pe Pământ de unde gravitaționale pe care să le putem studia:

1. trebuie să studiem găurile negre sau alte obiecte cerești foarte grele
2. trebuie ca aceste găuri negre să fie în mișcare circulară

Din aceste două condiții a rezultat exact ce trebuie studiat: o pereche de găuri negre, orbitând una în jurul alteia. Fiecare dintre ele curbează spațiul din jurul ei, dar faptul că se orbitează face ca această deformare să-și schimbe poziția, producând deci o variație periodică. Pentru un observator de la distanță, această variație a deformării resimțite reprezintă undele gravitaționale pe care încercăm să le detectăm.

By User:Zhatt – Own work, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=280052

Cercetătorii de la LIGO au folosit fix o astfel de pereche de găuri negre. Una era de 29 de ori mai grea decât Soarele nostru, alta un pic mai mare, de 36 de ori mai grea decât Soarele nostru. Pentru a pune lucrurile în perspectivă, Soarele este de 330.000 de ori mai greu decât planeta noastră, mai exact cântărește 2 x 10 la puterea 30 pe stomacul gol dimineața.

Ambele găuri negre aveau un diametru de aproximativ 50 de kilometri (Soarele are cam 4.000.000 de kilometri) și s-au învârtit una în jurul alteia până când probabil s-au și lovit și unit.

(Glumă nouă: “maică-ta e atât de grasă încât generează unde gravitaționale”)

DE CE SUNT GREU DE DETECTAT UNDELE GRAVITAȚIONALE ȘI CUM SE FACE TOTUȘI ASTA

După cum v-am spus, Pământul este afectat de gravitația Soarelui și într-o mică măsură de cea a planetei Jupiter, care este semnificativ de mare în sistemul nostru solar. Orice altă forță gravitațională de la alte stele îndepărtate, de la găuri negre, de la alte galaxii, este prea mică pentru a conta și pentru a fi măsurată de instrumentele noastre. Aveam nevoie de instrumente mai precise.

Ați văzut cum, într-un port cu multe bărci ancorate, valurile mării le fac pe acestea să se apropie și să se depărteze periodic una de cealaltă?

Undele gravitaționale determină același efect în toate corpurile din Univers. Gravitația trece prin orice. Sub acțiunea acestor unde atât de mici încât abia ieri au putut fi detectate, toate obiectele de pe Pământ se apropie și se depărtează câte un pic unul de celălalt, pe măsură ce “valul” le mișcă în față și-n spate.

Haideți să intrăm în interiorul corpurilor: celulele noastre, atomii în sine, se apropie și se depărtează unul de altul sub acțiunea undelor gravitaționale.

Efectul este foarte mic, se spune că este de 10 la puterea 20. Adică 0,0000000…1, cu 20 de cifre zero în acel număr. Probabil este o mișcare mai mică și decât dimensiunea unui atom, de asta noi nu sesizăm cum corpul nostru se dilată și se contractă cu atât de puțin sau cum capul meu se apropie de monitorul din fața mea cu aceeași distanță.

Nu aveam până acum instrumentele cu care sa măsurăm modificări atât de fine de lungime. Pentru a le măsura, cercetătorii de la LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory – “observatorul prin interferometrie laser a undelor gravitaționale”, încerc eu o traducere) au folosit alte fenomene fizice.

Au construit două tuneluri lungi de 4 kilometri, perpendiculare unul pe altul ca la litera L (dar cu brațele egale), foarte bine măsurate, și au trimis raze laser prin fiecare. Undele gravitaționale modifică dimensiunile acestor tuneluri cu foarte-foarte-(de 20 de ori)-foarte puțin, unul se lungește și altul se contractă, suficient de mult însă încât laserele ce străbat aceste tuneluri să-și modifice proprietăți specifice luminii (polarizare și din astea dubioase).

Cercetătorii au analizat cum cele două fluxuri laser inițial identice s-au modificat în timp și au concluzionat “da, modificarea aceasta nu putea să apară decât dacă un tunel este mai scurt și altul mai lung, iar contracția și dilatarea lor sunt periodice“. Așa se și așteptau să se întâmple, deci experimentul a confirmat teoria făcută tocmai de Einstein.

De ce abia acum? Pentru că abia acum am putut construit tuneluri de precizie și am putut trage prin ele cu lasere pe care să le putem analiza cu așa precizie pentru a vedea schimbările survenite. Dacă undele gravitaționale modifică la un factor de 1:10 la puterea 20, se spune că observatorul LIGO este suficient de sensibil pentru a sesiza modificări de 1:50 la puterea 22, adică de vreo 500 de ori mai fine decât cele produse de unde.

Nu există un singur observator LIGO, ci sunt două, construite în părți diferite ale Americii, Louisiana și Washington. Unul singur ar fi putut confirma existența undelor gravitaționale. Două observatoare pot analiza la cât timp după efectul asupra primului apare și efectul undelor asupra celui de-al doilea, ceea ce ajută la determinarea direcției din care vin undele respective și a altor proprietăți ale lor, practic permițând cercetătorilor să arate cu degetul pe cer și să spună “uite acelea sunt cele două corpuri de la care am individualizat acum undele gravitaționale“.

CARE SUNT APLICAȚIILE ACESTEI CERCETĂRI

Momentan nici una.

Cercetătorii implicați în proiect muncesc pentru a descoperi sau confirma fenomene fizice și teorii despre acestea, nu stau să gândească și aplicații comerciale pentru ele. Chestiile utile sunt gândite de alții după ce teoria este confirmată și bine definită.

Întâmplarea face că fix zilele trecute am văzut pe Netflix un documentar mișto despre CERN, LHC și bosonul Higgs. Întrebat care-i utilitatea proiectului de miliarde de euro pentru a descoperi particula Higgs, un cercetător a spus fix la fel, “momentan nici una“. A continuat însă zicând “dar nici cel care a descoperit undele radio nu știa că ulterior vor fi folosite pentru a comunica la distanță prin intermediul lor“, modulând un curent electric printr-o antenă în ritmul a ceea ce vrem să transmitem.

Îndrăznesc să spun că nici Marie Curie și alți cercetători ai materialelor radioactive nu știa că acestea vor fi utilizate pentru a face bombe, dar și pentru a genera energie electrică sau pentru a încălzi sonde spațiale. Probabil că nici Bernoulli, atunci când a enunțat celebrul său principiu privind presiunea și viteza de curgere a unui fluid, nu a știut că va fi folosit pentru a modela aripile avioanelor și a permite zborul. În fond, Bernoulli a trăit pe la 1700. Integralele alea dubioase din liceu și alte teoreme aparent inutile? Le-am regăsit apoi în codarea audio sau transmisiuni digitale, în facultate.

Mie mi se par importante cercetările în domeniul gravitației, o forță foarte puțin înțeleasă și despre care nu se știe exact cum apare și cum se propagă la distanță. Adică lumina se propagă prin fotoni, dar gravitația prin ce? Nu știe nimeni, dar ar putea fi legat de bosonii Higgs, apropo de asta.

Dacă înțelegem mai bine gravitația, cine știe ce aplicații am putea găsi respectivelor procese? Poate că o vom putea anula temporar și pe zone mici, creând dispozitive antigravitaționale ce-ar permite ridicarea fără efort a corpurilor grele și inclusiv zborul în spațiu fără vreun efort deosebit, ca-n toate cărțile și filmele SF futuriste. Nu știi de unde sare iepurele.

Scuzele mele dacă am greșit ceva, am scris toate acestea fără să verific altceva decât definiția de pe Wikipedia, doar din ce-am reținut de-a lungul anilor despre subiect.

Iată alte două obiecte masive orbitându-se reciproc. La cât de mare devine Cookie, în curând va genera unde gravitaționale sesizabile.