Gravitacijski valovi i GW150914
Albert Einstein je 1916. godine ukazao na mogućnost (originalni tekst na njemačkom) da se prostornovremenskim kontinuumom mogu širiti poremećaji koji utječu na zakrivljenost prostora. Einsteinovo predviđanje postojanja takvih poremećaja bazira se na općoj teoriji relativnosti koja opisuje vezu između zakrivljenosti prostorvremena i raspodjele mase (i energije) koja se u njemu nalazi. Parcijalne diferencijalne jednadžbe koje opisuju tu vezu zovu se Einsteinove jednadžbe (stranica na engleskoj Wikipediji).
Einsteinove jednadžbe pokazuju da je, u odsustvu materije i energije, prostorvrijeme ravno: najkraća udaljenost između dvije točke je ravna linija. Ako u takav prostor unesemo neku masu, najkraća udaljenost između dvije točke postaje krivulja čija zakrivljenost ovisi o raspodjeli mase. Ako u vrlo malom volumenu imamo veliku masu (drugim riječima, ako je gustoća velika), prostor u blizini te mase može postati jako zakrivljen (npr. u okolini crne rupe). Savršeno ravno prostorvrijeme je u stvarnosti nemoguće, jer uvijek postoji neka masa ili energija koja ga zakrivljuje. Međutim, u većini je slučajeva prostorvrijeme približno ravno. U tom se slučaju geometrija prostora može približno opisati geometrijom ravnog prostora sa dodatkom male zakrivljenosti. Takav je približan opis koristio Einstein kada je 1916. godine predložio postojanje gravitacijskih valova: širenje poremećaja zakrivljenosti prostora. Poremećaji se šire brzinom svjetlosti od nekog izvora.
Izvori gravitacijskih valova su mase u gibanju. Ako gibanje ispunjava određene uvjete, dolazi do zračenja energije putem gravitacijskih valova. Npr. dva tijela u orbiti oko zajedničkog centra mase gube energiju jer emitiraju gravitacijske valove. Jedan od primjera je pulsar PSR B1913+16: neutronska zvijezda koja se nalazi u dvojnom zvjezdanom sustavu sa još jednom neutronskom zvijezdom. Neutronske zvijezde su objekti mase usporedive masi našeg Sunca, ali s promjerom od samo nekoliko desetaka kilometara (u usporedbi sa stotinama tisuća kilometara, koliki je promjer Sunca). To su vrlo kompaktni i gusti objekti, i opća teorija relativnosti predviđa da dvije neutronske zvijezde koje orbitiraju jedna oko druge zrače gravitacijske valove. R. A. Hulse i J. H. Taylor su 1993. godine dobili Nobelovu nagradu za fiziku jer su 1974. otkrili PSR B1913+16. Na osnovu vremenskih svojstava radio-pulseva Hulse i Taylor su pokazali da se pulsar nalazi u orbiti oko druge neutronske zvijezde i da obje zvijezde gube energiju zbog emisije gravitacijskih valova. Članak objavljen 2010. ističe da je razlika između izmjerenog efekta gravitacijskog zračenja i teoretskog proračuna korištenjem opće teorije relativnosti samo 0.3%. PSR B1913+16 može se smatrati indirektnim dokazom za postojanje gravitacijskih valova.
Kao što je već spomenuto, širenje gravitacijskih valova može se shvatiti kao promjena zakrivljenosti prostora. Danas je na Zemlji u tijeku nekoliko eksperimenata koji pokušavaju direktno opaziti gravitacijske valove: LIGO, GEO600, Virgo i KAGRA. Ovi eksperimenti nastoje detektirati poremećaje korištenjem zrcala i laserske interferometrije. Tom tehnikom mogu se izmjeriti vrlo male promjene relativne duljine. Detektor gravitacijskih valova sastoji se od dva okomita tunela u obliku slova L na čijim krajevima su obješena zrcala koja reflektiraju laserske zrake. Ideja je da prolazak gravitacijskih valova mijenja duljinu oba tunela, ali ne u jednakoj mjeri zbog toga što svaki tunel ima drugačiju orijentaciju u odnosu na smjer prolaska valova. Očekivanje je da se jedan tunel skrati, a da se istovremeno drugi produlji. Međutim, čak i korištenje najmodernije tehnike, laserske inteferometrije, ne garantira otkriće gravitacijskih valova, budući da su očekivane promjene iznimno male (manje od promjera jezgre atoma) i nije lako razlikovati vibracije zrcala uzrokovane stvarnim signalom od onih koje nastaju iz drugih, zemaljskih razloga. Stoga znanstvenici jako moraju biti jako oprezni prilikom obrade podataka iz detektora gravitacijskih valova.
Dana 11. veljače 2016. godine LIGO kolaboracija je objavila da je 14. rujna 2015. detektirala gravitacijske valove koji su nastali kao posljedica sraza dviju crnih rupa (36 i 29 Sunčevih masa). Astronomska oznaka tog događaja je GW150914. Energija koja je izračena u obliku gravitacijskih valova je ekvivalentna trostrukoj Sunčevoj masi. Znanstvenici tvrde da je vjerojatnost da je signal nastao slučajno, a ne zbog sraza tih dviju crnih rupa, 1 naprama 3.5 milijuna ("5 sigma otkriće"). Ova razina pouzdanosti je bitna, jer da bi mogla govoriti o otkriću gravitacijskih valova znanstvena zajednica mora biti sigurna da se radi o pravom signalu, a ne o neželjenom artefaktu mjernog instrumenta. Analizom varijacije amplitude valova u vremenu znanstvenici su procijenili udaljenost crnih rupa od Zemlje na 1.3 milijarde svjetlosnih godina. Doista je zadivljujuće da su ljudi u stanju izmjeriti poremećaje u prostorvremenu koji nastaju kao posljedica tako dalekog događaja!
Einstein, A. 1916, Näherungsweise Integration der Feldgleichungen der Gravitation, Sitzungsberichte der Königlich Preußischen Akademie der Wissenschaften (Berlin), Seite 688-696.
Wikipedia, 2016, Einstein Field Equations (verzija od 21. Siječnja 2016)
Weisberg, J. M., Nice D. J. i Taylor J. H. 2010, Timing Measurements of the Relativistic Binary Pulsar PSR B1913+16, The Astrophysical Journal 722, pp. 1030-1034
LIGO Scientific Collaboration (pristupljeno 11. veljače 2016.)
GEO 600 Gravitational Wave Detector (pristupljeno 11. veljače 2016.)
VIRGO European Gravitation Observatory (pristupljeno 11. veljače 2016.)
KAGRA Large-scale Cryogenic Gravitational Wave Telescope Project (pristupljeno 11. veljače 2016.)
Hrupec, D. 2009, Kako opažamo gravitacijske valove, ČIS 4 (2009. – 2010.)
Abbott, B. P. i suradnici 2016, Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger, Physical Review Letters 116, 061102
Lamb, E., 2012, 5 Sigma What's That?, Scientific American (pristupljeno 11. veljače 2016.)