TEMA BROJA

M. Rajković

Astronomija i teorijska fizika

Zašto svemirski detektor LISA, teleskop Veb?

Оtkrićem gravitacionih talasa rođena je posebna grana astronomije – gravitaciona astronomija. Ona “osluškuje” gravitacione talase na detektoru i gleda kojim procesima to odogovara u svemiru. To je u poptunoj analogiji sa onim što astronomi rade u optičkim opservatorijama. Sa početkom gravitacione astornomije rođena je njena mlađa sestra multi-messenger astronomija, astronomija sa više različitih signala. Objekti i fenomeni koji mogu da budu detektovani gravitacionim metodama, mogu se otkriti dovoljno rano da se ta informacija pravovremeno prenese posmatračima na elektromagnetnim teleskopima, kako bi ih oni usmerili i označenom pravcu.

Uspešan primer saradnje optičke i gravitacione astronomije je detekcija sudara dve neutronske zvezde 2017. Čim je gravitacioni signal je stigao do nas, dok su se dve zvezde još vrtele jedna oko druge, odmah su obavešteni astronomi koji su taj događaj posmatrali optičkim teleskopima u orbiti (Habl) i teleskopima u radio domenu i domenu X i gama zraka. Svi ti teleskopi su takođe zabeležili taj događaj. To je početak multi-messenger astronomije. Posmatrači su u sudaru dve neutronske zvezde zapazili da je kreirana i ogromna količina zlata, platine i drugih metala težih od gvožđa.

Prvi svemirski detektor

-  Ali, problem je na drugoj strani - kaže dr Marko Vojinović, viši naučni saradnik sa Instituta za fiziku Fizičkog fakulteta u Beogradu. Svi detektori koje imamo: LIGO (dva u SAD, Livingston i Hardford), Virgo u Italiji, oni u izgradnji (KARGA detektor u Japanu, tzv. Indigo detektor u Indiji) ili planirani da se grade, su zemaljski detektori. Limitirani su geografijom, mestom na kome se nalaze. Imaju karakteristične interferometrijske krake, duge tri do četiri kilometra, pomoću kojih se mere gravitacioni talasi. Od dužina krakova direktno zavisi skup frekvenci gravitacionih talasa koje možemo da detektujemo. Taj opseg frekvenci je relativno visok, od 50 do 300 Hz. To su visokofrekventni gravitacioni talasi.
Problematično je i to, ističe dr Vojinović, što ne postoji velika raznovrsnost izvora koji emituju gravitacione talase na tako visokim frekvencama. Tri su moguća izvora za koja znamo: sudar dve crne rupe, sudar crne rupe sa neutronskom zvezdom i sudar dve neutronske zvezde. Nema drugih astrofizičkih fenomena koje bi u tom domenu bilo moguće detektovati. U tom smislu, detektori na Zemlji su relativno ograničeni spektrom kojim mogu da mere dužine talasa.

-Da bi se prevazišla ograničenja detektora na Zemlji, inicirana je izgradnja detektora gravitacionih talasa u orbiti oko Sunca, čiji je radni naziv LISA (Laser Interferometer Space Antenna). To je veliki poduhvat Evropske svemirske agencije. Detektor LISA činiće tri satelita u obliku trougla, koji će se vrteti oko Sunca, a svaka dva satelita međusobno gađati laserskim zracima i meriti određena rastojanja. Kada ovaj detektor bude napravljen imaće krake neuporedivo duže od onih koje imaju detektori na Zemlji, jer će sateliti biti na rastojanju većem i od naše planete.Takav instrument može da otkrije gravitacione talase vrlo niskih frekvenci, koje emituju procesi i pojave u univerzumu veoma različiti od sudara dve crne rupe ili dve neutronske zvezde, kao što su, na primer: eksplozije super nova, kvazari, sudari supermasivnih crnih rupa.
Obično svaka galaksija ima jednu crnu rupu gigantskih dimenzija. Supermasivne crne rupe su neuporedivo veće, spiralno se vrte jedna oko druge, sporije od malih crnih rupa, zbog čega proizvode niskofrekventne GT. “Ukoliko bismo mogli da detektujemo gravitacioni signal od njih onda bi to bio prozor u čitav novi svet astrofizičkih pojava. Tada bismo pomoću multimessenger metoda signale iz sudara supermasivnih crnih rupa mogli da kombinujemo sa informacijama optičke astronomije, koja bi u tom slučaju mogla da uperi sav arseanal svojih teleskopa prema određenom događaju kako bi se dobilo što je više moguće novih podataka.  Ovo je za nauku veoma značajano, jer bismo prosto mogli da testiramo zakonitosti fizike.”

Crne rupe su, bez obzira da li su obične, male, ili supermasivne, jednostavni objekti, imaju vrlo jasne i teorijski vrlo dobro proučene zakonitosti po kojima se ponašaju. Kada imamo eksperimentalni uvid u neki signal koji dolazi od sudara bilo koje dve crne rupe, imamo i pregršt podataka o tom događaju. Taj pregršt podataka poredimo sa teorisjkim predviđanjem, koje je vrlo precizno, ali veoma ograničeno u smislu da ne postoji mnoštvo slobodnih parametara da bi teorisjki opis mogao biti izmenjen. Teorijski opis je vrlo konkretan, što znači da se podaci iz eksperimenta ili slaže ili ne slaže sa teorijskim opisom. Ništa ne možemo da lažiramo. U ovom kontekstu najviše je „pod lupom“ Opšta teorija relativnost (OTR), jer se njena predviđanja upoređuju sa eksperimentalnim posmatranjem.-To je jedna od korisnih stvari u kontekstu gravitacione  i multi messenger astronomije. U tom smislu, novi detektor izvan Zemljine orbite bi mnogo pomogao u pouzdanosti eksperimenta i otvorio nove stranice posmatranja i zaključivanja.

“Najnovija igračka” astronoma

S druge strane, kaže dr Vojinović, optička ili elektromagnetna astronomija dobilo je poslednjih nešto više od godinu dana, „najnoviju igračku“ James Web Space Telescop, prvi iz naredne generacije fanatastičnih teleskopa. Prvi iz prethodne generacije je bio svemirski teleskop Habl (Hubble), sada imamo na raspolaganju desetostruko moćniji svemirski teleskop, na ogromnoj udaljenosti od Zemlje.
-Džejms Veb ima nekoliko posebnih karakteristika koje ga čine višestruko korisnim. Prva je položaj, nalazi se na drugoj od pet Lagranžovih tačaka i zaklonjen je od Sunca planetom Zemljom. Teleskop nikada ne vidi Sunce jer je Zemlja uvek ispred njega, što je u ovom slučaju važna osobenost ove Lagranžove tačke. Ovo je važno zbog toga što svi instrumenti Veb teleskopa da bi pravilno funkcionisali treba da budu na veoma niskoj temperaturi. Sam teleskop ima čitav niz načina na koji se hladi, odnosno štiti instrumente od Sunčevog i svakog drugog termo zračenja. On treba da bude stalno u nekoj senci, a Zemlja mu obezbeđuje tu senku, da bi mogao da meri signale iz infracrvenog spektra, koji je karakterističan za toplotno zračenje. Mi to zračenje ne vidimo našim okom, ali ono može da se detektuje.

Druga karakteristična osobina JWST su ogledala. Da bi svetlost iz infracrvenog dela spektra mogla dovoljno jasno da se uhvati teleskopom neophodne je da instrumenti koji detektuju budu na vrlo niskim temperaturama (jer bi u suprotnom, na viskoj temperaturi sami emitovali infracrvene zrake, odn. sijali) i da ogledala (čitav niz ogledala) budu pozlaćena. James Web teleskop ispunjava oba uslova. Sva ogledala na ovom superteleskopu su zlataste boje, a glavni razlog zašto su ona boje zlata je u tome što ona svojom žutom bojom mogu znatno efikasnije da odbijaju infracrveno zračenje, nego srebrna ogledala, koja je koristio Habl.
Zašto naučnici žele da mere svetlost infracrvenog dela spektra? Šta je u tom delu spektra toliko zanimljivo od čega bi nauka mogla da ima neku korist?
-Osnovna karakteristika infracrvenog dela spektra su zvezde koje se nalaze na vrlo velikim rastojanjima od Zemlje, u najdaljim dubinama svemira. Prema osnovnom kosmološkom modelu, naš univerzum se širi. Jedna od posledica širenja svemira je da svetlost koju je emitovala neka dovoljno daleka zvezda doživljava tzv. gravitacioni crveni pomak. Pojam crveni pomak znači da se njena frekvenca smanjuje. Širenje svemira izaziva povećanje elektromagnetnog talasa. Kada je neka zvezda emitovala svetlost, u trenutku kada je krenula na put, ta svetlost je imala određenu frekvencu, a do nas je stigla sa većim talasnim dužinama od inicijalnih. Porast talasnih dužina smanjuju frekvence, a to je gravitacioni crveni pomak. Pomak je crveni jer se frekvenca pri tom pomera ka crvenijem delu sepktra.
Zvezde koje su relativno blizu Zemlje emitovale su svoju svetlost u vidljivom delu spektra i ona je do nas stigla u tom vidljivom delu. Zvezde koje su na velikim razdaljinama od Zemlje imaju veliki crveni pomak, i svetlost koju su emitovale u vidljivom delu spektra stiže do nas „pomaknuta“, u nevidljivom, infracrvenom delu spektra. Svetlost zvezda koje su veoma daleko je sva u infracrvenom režimu, optičkim teleskopima ne vidimo njihovu svetlost. Zato nam je potreban teleskop koji vidi u infracrvenom delu spektra.

Svetlost prvih zvezda

Na pitanje zašto hoćemo da gledamo te veoma daleke zvezde, M. Vojinović odgovara: “Te vrlo daleke zvezde, prve zvezde koje su stvorene, prve zvezde koje su se upalile, upalile su nekih 300.000 godina posle Velikog praska, kada je univerzum postao providan za elektromagnetne talase. Od tog trenutka svetlost neometano putuje i stiže do nas. To se zove kosmičko mikrotalasno pozadinsko zračenje. Nakon što je svemir postao providan i osnovni odblesak Velikog praska krenuo da putuje, sva materija, gomila gasa i čestica, kojom je univerzum u početku bio ispunjen, u međuvremenu se hladila i zgušnjavala u obliku kugli, koje se kada postanu dovoljno velike pretvaraju u prve zvezde. Period otkad je svemir postao providan do trenutka kada zasijaju prve zvezde zove se tamno doba(dark age). To je doba kada nema nijedne pojave koja bi emitovala svetlost”.

-Ne znamo tačno kada, u kojoj meri, i na koji način su nastale prve zvezde. To je ono što želimo da saznamo, to je informacija koju treba da nam da teleskop Džejms Veb. On može da vidi svetlost prvih zvezda, svetlost najstarijih zvezda koje su postojale, koje su se grupisale u prve galaksije i koje su najudaljenije od nas. To je glavni razlog zašto nas interesuje infracrvena svetlost, jer se u infracrvenom delu spektra nalazi svetlost koja dolazi od tih prvih zvezda. To je ono što naučnici strpljivo iščekuju.

M. Rajković

Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja
"Novinarnica"