Unde gravitaţionale au fost detectate prntru prima dată în Europa, cu puţină vreme în urmă, în august 2017, după cum a comentat pe larg toată presa occidentală. Momentul este considerat ca fiind unul istoric, deoarece se dechide o cale inaccesibilă până acum explorării Universului. Aceste unde gravitaţionale au fost înregistrate de către un interferometru – Virgo (după numele celebrei constelaţii) – un instrument uriaş, creat cu scopul de a percepe astfel de unde, anticipate de teoria relativităţii generale, aşa cum a fost formulată de Albert Einstein, în 1916.

De fapt, acest fenomen, al undelor gravitaţionale, care s-au propagat în spaţiu 1,8 miliarde de ani, înainte de a putea fi înregistrate pe Terra, şi care constituie o preocupare majoră pentru lumea ştiinţifică, a fost perceput mai întâi de detectorul LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), situat în Louisiana (SUA), apoi la numai opt milisecunde şi de cel din Statul Washinton şi după şase milisecunde şi de Virgo, în apropiere de Pisa, în Italia, după cum a anunţat CNRS (Centrul Internaţional de cercetare ştiinţifică).

Ce sunt undele gravitaţionale?

Unda gravitaţională este o oscilaţie (o mişcare sau o fluctuaţie periodică, în jurul unei poziţii de echilibru) a curburii spaţiu-timp, care se propagă la mare distanţă faţă de punctul de formare. Curbura spaţiu-timp este o reprezentare matematică a acestor două noţiuni inseparabile (spaţiu-timp), influenţându-se una pe cealaltă, În anumite circumstanţe, obiectele accelerate pot să producă o perturbare a a curburii spaţiu-timp, care se propagă de o manieră asemănătoare valurilor la suprafaţa unei apei, sub forma undelor gravitaţionale.

Existenţa undelor gravitaţionale a fost prezisă de Albert Einstein, în teoria relativităţii generale, ca fiind produse de mase accelerate şi propagandu-se cu viteza luminii în vid. Einstein însuşi avea însă o serie de incertitudini legate de acest subiect, întrebarea fiind dacă undele gravitaţionale există fizic, cu adevărat, sau reprezintă doar un artefact matematic.

Abia în anii 1960 s-au făcut primele încercări de cercetare experimentală, prin realizarea primelor detectoare de unde gravitaţionale, de către Joseph Weber, un fizician american, dar fără rezultate notabile. În 2015, s-a obţinut prima confirmare că undele gravitaţionale există, după 40 de ani de încercări, rămânând neelucidată existenţa gravitonului, o particulă elementară ipotetică, responsabilă, potrivit studiilor teoretice, de manifestarea gravitaţiei.

Detectoarele pentru unde gravitaţionale şi fenomenele înregistrate

Premiul Nobel pentru fizică, în 2017, a fost acordat fizicienilor Rainer Weiss, Barry C. Barish şi Kip Thorne, pentru “contribuţiile decisive în conceperea şi realizarea detectorului LIGO şi in observarea undelor gravitaţionale”.

Primele interferometre performante şi funcţionale sunt de dată recentă, din anii 2000 – LIGO (SUA), Virgo (Italia), altele sunt în construcţie – GEO0600 (Germania), AIGO (Australia), TAMA (Japonia).

• LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) este un proiect ştiinţific impresionant, în care sunt antrenaţi peste 900 de oameni de ştiinţă din diverse ţări. Până în prezent, LIGO a înregistrat de trei ori unde gravitaţionale, cea mai recentă indicând ca sursă a acestor unde o coliziune a două găuri negre, în urmă cu trei miliarde de ani.
• Virgo este un detector interferometric construit la Santo Stefano, Italia, finanţat de CNRS şi de Institutul de fizică nucleară din Italia, Cercetarea ştiinţifică mediată de acest aparat grupează 250 de fizicieni, ingineri şi tehnicieni, în peste 20 de laboratoare, din şase ţări – Italia, Franţa, Belgia, Olanda, Polonia şi Ungaria. Undele gravitaţionale înregistrate de instrumentul Virgo, în august 2017, au fost produse prin fuziunea a două găuri negre, la o distanţă de aproximativ 1,8 ani-lumină faţă de Terra, fiecare dintre cele două găuri negre uriaşe având o masă de 28-35 de ori mai mare decât cea a Soarelui, în urma fuziunii apărând o gaură neagră cu o masă de 53 de ori mai mare decât a Soarelui.

• Există şi interferometre spaţiale, precum eLisa (Laser Interferometer Space Antenna), format din trei sateliţi, cu trei braţe ale căror fascicule laser vor avea 2,5 milioane kilometri, la care se lucrează încă.

Cum funcţionează un Interferometru terestru?

Ca şi în cazul celui mai mare accelerator de particule, cel de la CERN (European Organization for Nuclear Research), de la graniţa dintre Franţa şi Elveţia, care a descoperit, printre altele Bosonul Higgs (Particula lui Dumnezeu), interferometrele au structuri impresionante. Atât LIGO, cât şi Virgo, au în componenţă două tuburi imense, de câte patru kilometri lungime fiecare, cu diametrul de un metru, prin care trece câte un fascicul laser, în vid. După ce parcurge cei patru kilometri, fasciculul intra în contact cu o oglindă uriaşă, suspendată prin procedee complicate, pentru a nu vibra, şi se întoarce.

Dacă totul se desfăşoară în condiţii obişnuite, cele două fascicule laser, întoarse la poziţia iniţială, ar trebui să se suprapună perfect, dat fiind că au străbătut aceeaşi distanţă, cu aceeaşi viteză. Dacă intervin perturbaţii şi nu se suprapun perfect, acestea sunt indiciul intervenţiei undelor gravitaţionale, care curbează relatia spaţiu-timp, exact aşa cum a prevăzut Einstein. În mod identic se petrec lucrurile şi la scară mai mare, undele gravitaţionale schimbând geometria Universului.

Unde gravitaţionale – descoperirea lor, o cale spre noi teorii, spre explorarea Universului dintr-o altă perspectivă

Descoperirea undelor gravitaţionale va conduce spre explorarea Universului dintr-o altă perspectivă. Până acum, utilizarea telescoapelor, a lunetelor astronomice, a undelor radio, a razelor gamma şi a razelor X făcea posibilă explorarea părţii vizibile a Universului, rămânând ascunse zonele unde forţa gavitatională este foarte puternică, în jurul găurilor negre, de exemplu.

Spre deosebire de undele electromagnetice, cele gravitaţionale interacţionează foarte puţin cu materia, deplasându-se pe mari distanţe cosmice, fără a fi perturbate, putându-se astfel obţine informaţii inedite despre Univers, inclusiv despre începuturile acestuia.

De asemenea, cercetătorii vor putea aduna noi informaţii, care să conducă spre teorii îndrăzneţe, cum ar fi cele legate de formarea găurilor de vierme (numite şi Poduri Einstein-Rosen), concept teoretic, despre care se presupune că ar lega zone îndepărtate ale Universului printr-un fel de scurtătură.

Undele gravitaţionale fac posibilă călătoria în timp? Opinia laureatului Premiului Nobel, 2017

Tot potrivit teoriei generale a relativităţii, dacă găurile de vierme ar exista cu adevărat, călătoria în timp ar deveni posibilă, prin accelerarea la o viteză foarte mare a unui capăt, producându-se astfel un decalaj temporal.

Astrofizicianul Kip Thorne, unul dintre cei trei laureaţi ai Premiului Nobel pentru fizică, 2017, membru al echipei LIGO şi consilier tehnic pentru scenariul filmului science-fiction Interstellar, afirma că, mai ales în contextul actualelor descoperiri, călătoria în timp nu este imposibilă. O gaură neagră curbează total dimensiunile spaţiu-timp, ceea ce, în teorie deocamdată, ar permite unei persoane aflate înăuntru să revină la punctul de plecare. O gaură de vierme este legătura ipotetică dintre două repere spaţiu-timp şi, tot în teorie, un astfel de “tunel” ar putea face posibilă călătoria dintr-un timp viitor într-unul trecut.

Există apoi celălalt mijloc de a călători în timp – viteza. Potrivit teoriei relativităţii, dacă o persoană ar călători cu viteza luminii, ar “vedea” timpul incetinindu-se. Un astfel de adevăr teoretic este ilustrat de celebrul “paradox al gemenilor” – unul călătoreste într-o navetă spaţială cu o viteză apropiată de cea a luminii, celălalt rămâne pe Terra. Dacă geamănul din naveta spaţială ar călători doi ani, la întoarcerea pe Pământ l-ar găsi pe fratele său cu 30 de ani mai în vârstă. Altfel spus, viteza dilată timpul.

La o altă scară, de exemplu, ceasul unei persoane care se află într-un avion merge un pic mai lent decât al uneia aflată la sol. Şi toate acestea nu reprezintă doar o chestiune de viteză, ci şi de unde gravitaţionale, a căror existenţă acum a fost demonstrată. Cu cât ceva se află mai aproape de un obiect masiv, cu atât gravitaţia încetineşte timpul – consecinţă a curburii spaţiu-timp.

Etienne Klein, fizician şi filosof al ştiinţelor, spunea nu demult, într-un interviu, că descoperirea undelor gravitaţionale este cel mai frumos omagiu pe care ştiinţa l-a adus geniului lui Albert Einstein. Poate nu vom călători prea curând în timp, dar ritmul accelerat al descoperirilor ştiinţifice, rescrierea multor teorii, cu siguranţă, ne vor pune în faţa unei realităţi, a lumii şi a Universului, care va deveni din ce în ce mai fascinantă şi mai provocatoare, precum universul din noi înşine.