Nauka je stalno u pokretu, veliki i skupi projekti se odvijaju širom svijeta, ali je takođe uočljivo da neka fundamentalna pitanja i dalje ostaju bez odgovora. Jedno od njih je svakako problem gravitacije. Iako još od ranog djetinjstva saznajemo (empirijski) da je ona prisutna, i iako je njenu osnovnu formulaciju Isak Njutn objavio prije skoro 400 godina, naučnici još uvek tragaju za odgovorom na pitanje ko prenosi tu silu i da li je gravitacioni talas moguće nekako detektovati?
Sa druge strane, ništa manja misterija nije ni potraga za inicijalnim uslovima iz kojih se dogodio Veliki prasak. Kombinacija ova dva velika kosmološka pitanja zato se čini još komplikovanijim problemom.
Hajde prvo da kažemo ponešto o samom Velikom prasku, toliko često pominjanom u medijima i svakodnevnim raspravama. Na osnovu čega vjerujemo da gravitacioni talasi zaista postoje? Naime, posljednjih decenija, nekoliko otkrića je dovelo do nedvosmislenog zaključka da se svemir ubrzano širi (otkriće mikrotalasnog zračenja, a kasnije i mjerenje fluktuacija u temperaturi istog tog zračenja) – za to su dodijeljene i Nobelove nagrade, posljednja 2011. godine upravo timu koji je računao kojom brzinom svemir uvećava svoju “zapreminu”. Kako onda takve zaključke povezujemo sa prošlošću, tj. šta nam neravnomjerna temperatura svemira i njegovo širenje mogu reći o prvim trenucima nastanka?
Kada se uradi ekstrapolacija (predviđanje ponašanja sistema na osnovu poznatih podataka) od današnjeg ka prošlom kosmičkom vremenu, Ajnštajnova teorija relativnosti navodi nas na zaključak da su u nekom vremenskom trenutku daleke prošlosti (najnovija mjerenja sugerišu da su to bilo prije 13.772 milijardi godina) temperatura i gustina bile beskonačno velike. Ako se malo prisjetimo matematike iz srednje škole, zaključićemo da je sa tako velikim (infinitnim) vrijednostima nemoguće definisati neku funkciju. Drugim riječima, opšta teorija relativnosti u takvoj sredini prestaje da važi! Od tog momenta, primat preuzimaju kvantni efekti koji su trajali svega 10^-43 sekundi! Bez obzira na tako sićušnu vrijednost, ono što mislimo da se izdešavalo u tom djeliću vremena zapravo čini osnov svega ostalog što danas posmatramo u Kosmosu.
Detaljna mapa mikrotalasnog zračenja napravljena teleskopom PLANCK prikazana je na vrhu ovog teksta. Razlike u temperaturi označene su crvenim i plavim tačkama, i ta razlika oslikava varijacije koje su se dešavale u ranom Univerzumu. Zadatak današnjih misija je da nađu njihove uzročnike.
U kontekstu fizike čestica, najvažnija stvar koju Ajnštajnova opšta relativnost predviđa jesu upravo gravitacioni talasi. Oni nastaju u procesima koji sadrže intenzivno oscilovanje prostor-vremena, na primjer stapanje centara galaksija ili pak dvojnih sistema kompaktnih kosmičkih objekata (crne rupe, neutronske zvijezde). Za jedno takvo otkriće, doduše posredno, dodijeljena je Nobelova nagrada 1993. godine astrofizičarima Tejloru i Hulsu.
Oni su pokazali gravitacioni uticaj u trajnom smanjenju perioda orbite dvojnih neutronskih zvijezda. Vrijeme raspada takve orbite prema teoriji relativnosti savršeno je potvrđeno mjerenjima ove dvojice naučnika. Međutim, da bi se i direktno pronašli i detektovali gravitacioni talasi, potrebni su mnogo moćniji sistemi.
Šta je značaj ovog otkrića i kako se do njega došlo?
Prvo treba da objasnimo šta je BICEP (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization). U pitanju je osjetljivi radio teleskop koji je sastavljen od 98 osjetljivih detektora koji se nalaze na Južnom Polu, a frekvencija talasa koji se snimaju je između 100 i 150 GHz. Zapravo, ono što BICEP mjeri jeste polarizacija (orijentacija električnog polja tog talasa) u prostoru. S obzirom da danas znamo da svemir ispunjava “kosmičko pozadinsko zračenje” koje je zapravo ništa drugo nego “ohlađeno” zračenje zaostalo iz vremena ranog kosmosa, tada BICEP mjerenja dobijaju na važnosti, jer direktno mjere vrlo osjetljive promjene koje teorija predviđa da su se dogodile u onih majušnih 10^-43 sekundi.
Jedno od najvećih i najsmjelijih teorija je teorija po kojoj je svemir naglo povećao svoju zapreminu za svega nekoliko milijarditih dijelova sekunde – tačnije, pretpostavka je da je širenje bilo toliko brzo i veliko, da je temperatura opala za 100 000 stepeni! Važna posljedica toga jeste predviđanje da sve što se desilo u tom kratkom, ali šokantnom periodu svemirske istorije, potiče od gravitacionog kolapsa izazvanih kvantnim fluktuacijama. Dakle, ono što se desilo u inflaciji odgovorno je za izgled spektra pomenute mikrotalasne pozadine. Odatle i ideja da se istraže gravitacioni efekti.
Problem je, međutim, što je kosmička mikrotalasna pozadina mnogo jača od gravitacione pozadine. Takođe, još mnogo drugih efekata otežava mjerenja, poput galaktičke prašine ili polarizacije koje potiče od jakih radio-galaksija. Prema tome, BICEP je na Južnom Polu snimao promjene u zračenju koje je poteklo od vremena kada je naš svemir bio svega 380 hiljada godina star, i kada je bio dovoljno prozračan da pusti te fotone da otputuju na sve strane vidljivog Kosmosa.
Efekat koji su naučnici detektovali u ovom slučaju je jedinstvena osobina gravitacionih talasa – da “skupe” Univerzum u jednom pravcu tako da izgleda topliji na datoj mapi, a u drugom smjeru da razvuku prostor, što na mapi oslikavaju hladnija mjesta. Kao što smo pomenuli ranije, teškoća u analizi ovakvih efekata je ogromna jer se radi o razlikama u temperaturi manjim od sto hiljaditog dela Kelvina!
Ovo je kratak video o tome na koji način su snimljene pomenute fluktuacije.