Undele Gravitaţionale în Secolul 21

Articol de Alexandru Olenici, premiul II în cadrul concursului ”Evoluţia în Secolul 21”

Majoritatea oamenilor sunt familiarizaţi (sau cel puţin ar trebui să fie) cu povestea mărului căzut din pom, observat de faimosul om de știinţă englez Issac Newton, aflat într-o zi în livadă. Privind mărul, Newton s-a întrebat de ce fructul a căzut și nu s-a deplasat în sus sau în lateral odată desprins de pe creangă. Acesta s-a gândit că trebuie să existe o forţă invizibilă care să acţioneze asupra mărului, o forţă creată probabil de un alt corp cu masa imensă, cum ar fi Pământul. Indiferent dacă această întâmplare este sau nu reală, în anul 1687 Issac Newton a publicat o lucrare în trei volume intitulată “Philosophiae Naturalis Principia Mathematica”. În lucrarea respectivă, Newton a prezentat pentru prima dată legea atracţiei gravitaţionale. Această lege descrie gravitaţia că o forţă invizibilă care există între toate corpurile cu masă. Conform teoriei lui Newton, această forţă invizibilă este determinată de masa corpurilor care interacţionează, distanţa dintre ele și o constantă gravitaţională (G) (Ravilious, 2020).

(Drake & Greshko, 2017) În anul 1915 însă, legendarul fizician teoretician Albert Einstein a schimbat pentru totdeauna percepţia omenirii asupra gravitaţiei, cu publicarea teoriei relativităţii generale. Conform acestei teorii, Einstein a determinat că gravitaţia nu este o forţă invizibilă, ci mai degrabă distorsiunea “ţesăturii” spaţiu-timp cauzată de însăși masa materiei. În consecinţă, orice corp cu masă produce gravitaţie. De asemenea, cu cât masa corpului respectiv este mai mare, cu atât distorsiunea este mai pronunţată deci evidentă (ex. forţă de atracţie a Pământului). Un alt concept rezultat din teoria relativităţii generale a fost existenţa undelor gravitaţionale. Aceste unde pot fi emise, de exemplu, de două stele neutronice care se rotesc în jurul centrului comun de masă, fuzionând (ciocnindu-se) într-un final. Undele gravitaţionale sunt distorsiuni în spaţiu-timp care pornesc de la sursă, propagându-se prin univers cu viteze ameţioare sub forma “valurilor”. (Orange S.A.) Putem înţelege fenomenul printr-o analogie : aruncăm o piatră într-un lac cu suprafaţa perfect netedă, neperturbată de vânt sau alţi factori. Din punctul în care piatra va lovi apa, mici valuri se vor forma și îndepărta în cercuri concentrice pornind din zona de impact, o consecinţă a schimbului de energie între piatră și apă. Din păcate, neputând să demonstreze existenţa acestor unde gravitaţionale, Einstein a rămas neconvins de propria lui presupusă descoperire.

Problema cu detectarea undelor gravitaţionale este că, din momentul în care se formează și până ajung la noi, puterea de distorsiune a acestor unde scade imens, fiind aproape imposibile de detectat.

În anii 70 însă, doi astrofizicieni numiţi Russell Hulse și Joseph Taylor au demonstrat existenţa undelor gravitaţionale într-un mod indirect după ce au studiat timp de 7 ani o pereche de 2 stele neutronice. Datorită acestei realizări, cei doi au primit în anul 1993 Premiul Nobel pentru Fizică. 

Să dăm acum timpul puţin înainte până în secolul 21, mai exact anul 2015. În data de 14 septembrie 2015 au fost pentru prima dată în istorie detectate în mod direct undele gravitaţionale emise în urma ciocnirii a două găuri negre aflate la 1.3 miliarde de ani lumină depărtare. Această incredibilă realizare a fost posibilă datorită existenţei observatoarelor cunoscute sub acronimul LIGO (din engleză Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) din SUA. A fost necesară crearea a două observatoare pereche situate la 3000km una de cealaltă pentru a putea diferenţia interferenţele venite din mediul exterior și undele gravitaţionale. Undele lovesc ambele observatoare aproximativ simultan, garantând exactitatea măsurătorilor. Pentru detectarea undelor, ambele observatoare dispun de un instrument numit interferometru. Ambele interferometre au 2 braţe lungi de câte 4km dispuse în formă de L, formate din tuburi vidate din oţel cu diametrul de 1.2m. Pentru a fi protejate de mediul înconjurător, tuburile se află în tuneluri de beton. Interferometrul funcţionează astfel (explicaţie simplificată). Începem cu generarea unui fascicul de lumină (cu un laser) care este apoi împărţită în două fascicule de către un dispozitiv optic numit divizor de fascicule. Fasciculele respective străbat cele 2 braţe lungi de 4km picând perpendicular pe câte o oglindă aflată la capătul braţelor. Cele 2 oglinzi reflectă cele 2 fascicule înapoi la divizor de unde sunt dirijate mai departe către un detector de fotoni, suprapunându-se. În lipsa undelor gravitaţionale, cele două fascicule se suprapun perfect, anulându-se reciproc. Când însă fasciculele nu se suprapun reciproc, iar înălţimile undelor lor se “ciocnesc”, are loc așa numita interferenţă-constructivă, licăriri de lumină lovind detectorul. Această nesuprapunere se datorează schimbării lungimii braţelor lovite de undele gravitaţionale. LIGO a detectat astfel în 2015 unde gravitaţionale care au generat distorsiuni de 1000 de ori mai mici decât mărimea nucleului unui atom (LIGO Caltech). 

Această descoperire a demonstrat, în opinia mea, atât geniul unic al lui Newton și Einstein cât și al intregii omenirii, schimbând astfel pentru totdeauna modul în care privim și înţelegem universul. 

Jurnal Umanist

Comentarii