Cinci mituri despre undele gravitaţionale

Oamenii de ştiinţă ce utilizează telescopul BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization) au afirmat anul trecut că au detectat undele gravitaționale, adică „valurile” din continuumul spațiu-timp. Deşi iniţial s-a crezut că ar putea fi vorba despre cea mai revoluţionară descoperire a secolului, ulterior s-a dovedit că semnalele cosmice recepţionate de către cercetători reprezintă o alarmă falsă: a fost vorba doar despre praf galactic.

Simularea undelor gravitaționale generate de două găuri negre. Credit: NASA/ESA/wikimedia

În consecinţă, putem spera că vom descoperi vreodată undele gravitaționale? Vor reprezenta într-adevăr acestea o dovadă de necontestat pentru Big Bang? Iată în continuare cinci mituri şi concepţii greşite despre undele gravitaționale.

1. Dificultăţile întâmpinate de cercetători se datorează faptului că această căutare se află doar la început

Aţi putea crede că activitatea de căutare a undelor gravitaționale se află abia la început, dar aceasta a început în urmă cu zeci de ani fără a se obţine vreun succes.

Undele gravitaționale sunt perturbaţii pulsatorii sau „valuri” din continuumul spaţiu-timp ce sunt provocate de deplasarea prin acesta a unor obiecte masive. Aceste unde întind și comprimă obiectele din calea lor în timp ce se propagă, deși la o scară subatomică. Prin urmare, oamenii de ştiinţă au încercat să demonstreze existența undelor gravitaționale analizând modul cum sunt afectate obiectele din apropiere de către undele gravitaţionale.

Undele gravitaționale întind și comprimă obiectele din calea lor. Credit: wikimedia

În anul 1968 fizicianul american Joseph Weber a afirmat că a detectat în acest fel undele gravitaționale prin utilizarea unui detector format din nişte cilindri imenşi din aluminiu. Ulterior, rezultatele obţinute de acesta nu au fost confirmate.

În prezent oamenii de ştiinţă utilizează interferometria cu laser pentru a căuta undele gravitaționale. Un interferometru laser divizează un fascicul laser pe două direcții perpendiculare. Fiecare din cele 2 fascicule laser parcurge un tunel lung vidat. Cele două fascicule sunt apoi reflectate înapoi prin intermediul unor oglinzi până în punctul în care au fost separate, acolo fiind amplasat un detector. În cazul în care fasciculele laser sunt perturbate de către undele gravitaționale atunci fasciculele de lumină care se combină şi interferă vor fi diferite faţă de cele iniţiale.

Interferometrele de la sol, cum ar fi Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), au braţe care au o lungime de aproximativ patru kilometri. Viitoarele interferometre spațiale, cum ar fi Deci-hertz Interferometer Gravitational Wave Observatory (DECIGO) și Evolved Laser Interferometer Space Antenna (eLISA) vor avea braţe a căror lungime va fi de până la un milion de kilometri. Odată cu lansarea iminentă a misiunii eLISA „Pathfinder” se speră că aceste experimente vor putea fi efectuate în următorii 10 ani.

2. Undele gravitaţionale provin din Universul timpuriu

Cele mai puternice surse de unde gravitaționale sunt procesele astrofizice.

Cea mai reprezentativă sursă de unde gravitaţionale este o pereche de stele pitice albe sau de găuri negre care se rotesc în jurul centrului comun de masă (așa-numitele „sisteme binare”). Oamenii de știință cred că aceste sisteme binare îşi pierd treptat energia prin emisia de unde gravitaționale. Această ipoteză a fost demonstrată prin descoperirea celebrului pulsar Hulse-Taylor în anul 1974. Acest pulsar a furnizat dovezi indirecte ale undelor gravitaționale deoarece reducerea energiei acestuia în timp a fost prezisă de către teoria generală a relativității (undele gravitaţionale nu au fost observate).

Cu toate acestea, oamenii de ştiinţa caută şi undele gravitaționale primordiale care au fost generate la scurt timp după apariţia Universului. Acestea sunt mult mai greu de detectat.

 3. BICEP2 ar putea „vedea” într-o zi undele gravitaționale

Unul dintre obiectivele echipei de cercetători care utilizează telescopul BICEP2 a fost acela de a încerca să detecteze semnătura undelor gravitaționale primordiale imprimate în temperatura radiaţiei cosmice de fond. Această radiaţie a fost emisă atunci când Universul avea o vârstă de doar 300.000 ani, cu mult timp înainte de apariţia primelor stele.

Radiaţia cosmică de fond, aşa cum a fost măsurată de satelitul Planck. Credit: ESA/Planck Collaboration

Atunci când undele vibrează într-o anumită direcție, ele au o polarizare specifică. Dacă undele gravitaționale erau prezente în momentul când a apărut radiaţia cosmică de fond, atunci acestea ar fi trebuit să provoace un model unic de polarizare al radiaţiei cosmice denumit „modul B”.

Prin urmare, modul B de polarizare al radiaţiei cosmice reprezintă o dovadă indirectă privind existenţa undelor gravitaționale. Acesta este un aspect important: experimentele precum BICEP2 nu vor fi niciodată în stare să observe undele gravitaționale, ci doar amprentele pe care acestea le-au lăsat în urma lor.

Modul B de polarizare al radiaţiei cosmice de fond este de obicei mascat de către efectul indus de unele semnale mult mai puternice, provenite de la praful galactic și de către un efect denumit lentila gravitațională, care amestecă diferitele modele de polarizare. Eliminarea acestor semnale parazit este o sarcină delicată care se bazează de multe ori pe rezultatele altor experimente.

Această provocare complexă va fi abordată de către următoarea generație de experimente asemănătoare celui efectuat cu ajutorul telescopului BICEP, cum ar fi Atacama Cosmology Telescope (ACT) și succesorul acestuia AdvACT. Acestea vor putea să măsoare radiaţia cosmică de fond mult mai precis și vor beneficia de experienţa acumulată cu ajutorul experimentului BICEP pentru modelarea efectului cauzat de prezenţa prafului cosmic și a altor contaminanți. Perspectivele sunt foarte promiţătoare pentru detectarea modului B de polarizare în următorul deceniu.

Se crede că interferometre spațiale ar putea fi capabile să detecteze undele primordiale, probabil eliminând undele provenite în urma unor procese astrofizice cunoscute.

4. Undele gravitaționale ar „dovedi” Big Bang-ul

Cea mai timpurie sursă de unde gravitaționale este inflaţia cosmologică şi nu Big Bang-ul. Inflaţia cosmică reprezintă un proces de expansiune exponențială a Universului ce a avut loc imediat după Big Bang.

Undele gravitaționale pe care cercetătorii din cadrul experimentului BICEP2 pretindeau că le-au detectat sunt cauzate de această expansiune accelerată a Universului. Acest lucru este în conformitate cu teoria relativităţii generale care prezice că un obiect aflat în mişcare accelerată emite unde gravitaționale (similar modului prin care o sarcină electrică aflată în mişcare accelerată emite unde electromagnetice).

În prezent inflația cosmică reprezintă modelul standard al Universului timpuriu. Deşi multe predicţii principale ale acesteia au fost verificate, existența undelor gravitaționale primordiale nu a fost confirmată. Dacă acestea vor fi observate, atunci ele ne vor furniza date cu privire la energia la care s-a produs inflația cosmică, ceea ce ne va ajuta să înţelegem mai bine evenimentul Big Bang. Dar undele gravitaționale nu vor putea dovedi Big Bang-ul, care este o singularitate matematică pe care încă ne străduim să o înţelegem.

5. Avem nevoie de un singur experiment pentru a detecta undele gravitaţionale

Obţinerea unor dovezi statistice solide pentru undele gravitaționale va necesita cu siguranță mai mult de un experiment. Undele gravitaționale prezintă un spectru larg de frecvențe astfel încât prin cele două tehnici de detectare (modurile B de polarizare și interferometria laser) se caută unde gravitaţionale având diferite frecvențe.

Cea mai simplă teorie a inflației prezice un fundal de unde gravitaționale primordiale având un spectru de frecvență special, cu alte cuvinte știm ce amplitudine ar trebui să observăm pentru fiecare frecvență. În concluzie, dacă oamenii de ştiinţă ar putea detecta undele gravitaționale pe baza a două frecvențe foarte diferite, atunci acest lucru ar fi o dovadă puternică pentru teoria inflației care va fi greu de combătut chiar şi de către cei mai înverşunaţi sceptici.

Deci, merită căutarea undelor gravitaţionale?

Este foarte puțin probabil ca prima generație de interferometre spațiale să aibă sensibilitatea necesară pentru a detecta undele gravitaționale primordiale. Cu toate acestea, dacă am putea detecta în mod direct undele gravitaționale provenite în urma unor procese astrofizice, atunci am avea noi modalităţi de a testa validitatea teoriei relativității generale a lui Einstein care este folosită pentru a descrie gravitația din fizica modernă. Această teorie, care a fost pusă la îndoială în ultimii ani, prezice existența undelor gravitaționale.

De asemenea, prin detectarea în mod direct a undelor gravitaționale din astrofizică ni s-ar deschide noi perspective privind înţelegerea evoluţiei stelelor, galaxiilor și găurilor negre de care nu am putea beneficia în alt mod.

Traducere şi adaptare după Five myths about gravitaţional waves