Nobelova nagrada za fiziku (2017): LIGO - Nobelovci i njihov projekat

[Милан Ракић]

Jedne tople noći u leto 1975-te, našli su u Vašingtonu dvojica mladih fizičara. Rej Vajs (Rainer Weiss) i Kip Torn (Kip Thorne). Vajs je sa Masačusetskog Instituta za Tehnologiju u Bostonu, skraćeno MIT, a Torn sa Kalifornijskog Instituta za Tehnologiju u Pasadeni, koji ponekad zovu i CIT ali mnogo češće Kalteh (Caltech). Razlog njihovog dolaska je bio sastanak savetodavne grupe koju je NASA oformila za buduće korišćenje svemirskih misija u oblasti relativnosti i kosmologije.

Za jednu noć su shvatili da su njihova interesovanja slična i komplementarna. Vajs je eksperimentalni fizičar koji je imao originalnu ideju da testira postojanje gravitacionih talasa iz svemirskih izvora. Torn je teorijski fizičar i astrofizičar koji je računao procese emisije gravitacionih talasa u astrofizičkim situacijama i planirao da na Kaltehu formira eksperimentalnu grupu za njihovu detekciju.

To je bio početak saradnje, rivalstva, “prinudnog braka” i zajedničkog projekta pod nazivom LIGO, koji je uz kasniju ključnu ulogu Barija Bariša (Barry Barish), isto sa Kalteha, posle četiri decenije doveo do prvog registrovanja gravitacionih talasa iz dalekog svemira i početka astronomije gravitacionih talasa.

REJ VAJS

Rajner Vajs, sedamdesetih godina, u svojoj laboratoriji. Izvor  

Vajs je autor originalnog koncepta ovog eksperimenta. Dok je predavao o Ajnštajnovoj opštoj teoriji relativnosti, pala mu je na pamet ideja kako bi slika o gravitacionim talasima mogla da se testira (vidi dole).

Napravimo dva tunela u obliku slova L. Izvucimo vazduh, da vakuum bude najbolji mogući. Postavimo na kraju svakog tunela ogledalo (Mirror). Iz korena L, preko polu-propusnog ogledala (Beam Splitter) usmerimo na svako ogledalo laserski snop i kada se vrate kombinujemo ih i pošaljemo na detektor (Photodetector).

Šematični prikaz LIGO intereferometra. Izvor 

Priroda svetlosti je da će se dva snopa kombinovati kao dva talasa: oni mogu da se pojačaju ili ponište, potpuno ili delimično. Šta će od toga biti zavisi kolika je razlika u dužini puteva koje su talasi prešli. Taj proces, poznat kao interferometrija, je dakle odličan metod da se meri udaljenost između dva ogledala duž krakova tunela L.

Ako sada naiđe gravitacioni talas, prikazan gore, iznad L, u principu jedan tunel će postati kraći a drugi duži, pa će se to obrnuti, i tako dalje sve dok gravitacioni talas prolazi. Što su tuneli duži, veća je osetljivost detektora.

To je bila suština Vajsove ideje koju su studenti lako shvatili i proračunali. Godinu dana kasnije, čitajući o pokušajima drugih fizičara da na druge načine detektuju gravitacione talase, Vajs konačno shvata svoju ideju ozbiljno. Seo je, kako kaže, u sobičak, i proveo celo jedno leto računajući u detalje kako bi takav eksperiment izgledao.

Kao temeljan eksperimentalni fizičar on je znao da mora da upozna i proceni sve moguće izvore šumova koji mogu da ograničene osetljivost takvog laserskog interferometra. Tu su bili seizmički šumovi, neravnomernost gravitacionog polja, šumovi usled neravnomerne temperature u tunelima, termalni šumovi u samim ogledalima i njihovim nosačima, promenljivost u snazi i frekvenci lasera, podrhtavanje ogledala pod laserskim snopom, slučajni šumovi u elektronici, kao i potencijalne oluje u Zemljinom magnetnom polju i mogući mlazevi kosmičkog zračenja.

Vajsova ideja je u osnovi LIGO detektora, a izvori šumova koje je identifikovao su bili ono sa čime su se borili LIGO fizičari i inžinjeri narednih 40 godina.

KIP TORN

Kip Torn (drugi s desna), 1972-ge, u svom elementu. Izvor

Torn je, sa svojim postdiplomcima i saradnicima, razradio teoriju astrofizičkih izvora gravitacionih talasa a takođe je doprineo i teorijskoj analizi dizajna LIGO interferometra.

Ako interferometar zaista pokaže da se rastojanje između ogledala periodično menja, šta to znači? Da bi to znali treba da razumemo izvore gravitacionih talasa, tako da možemo da proračunamo amplitudu, formu, frekvencu, i dužinu trajanja takvih talasa. Ako to uradimo za razne moguće izvore koje znamo, imaćemo katalog koji možemo da uporedimo sa onim što je detektor zabeležio. Kako je Torn naravno, odmah znao, to je bio veliki zadatak.

Još u srednjoj školi smo naučili da se gravitacione sile sabiraju kao vektori. Svemirski brod privlače i Zemlja i Mesec. Mi onda prvo sračunamo silu privlačenja samo od strane Zemlje, pa samo od strane Meseca, pa ih saberemo i to je sve! Ako nam je potrebna veća tačnost, uzećemo u obzir i privlačenje od strane Sunca, ili Marsa, Jupitera, i tako dalje, zavisno kolika nam je tačnost potrebna jer svaki naredni uticaj je slabiji. To brzo postane zametno, ali je princip jasan: sračunamo efekat svakog tela ponaosob, pa onda te efekte dodamo.

Međutim to više ne važi kada su mase velike ili bliske, ili i jedno i drugo. Tada Njutnov zakon gravitacije više nije dovoljno dobra aproksimacija i moramo da koristimo tačne jednačine Ajnštajnove teorije relativnosti. Ali u toj slici nema više sila! Mi ne možemo više da računamo efekat svake mase ponaosob, već moramo da nađemo matematički opis za celu sliku. Kako matematičari kažu, jednačine teorije relativnosti nisu linerne.

Potpunije razumevanje tog procesa je postalo moguće tek u poslednjih dvadesetak godina, kroz numeričko rešavanje Ajnštajnovih jednačina, na primer u slučaju dve crne rupe, iz čega su nastale brilijantne slike kao ova ovde:

Spajanje dve crne rupe i emisija gravitacionih talasa. Izvor 

Međutim sve te moćne numeričke tehnike imaju za polaznu osnovu analizu ovakvih procesa koje su u prvm decenijama projekta obavili Torn i njegovi saradnici koristeći virtuozne matematičke metode od kojih su dobar deo oni sami razvili. Ti proračuni i fizička slika koja je iz njih nastala su osnova našeg razumevanja formiranja gravitacionih talasa.

Drugi interesantan teorijski doprinos Kipa Torna i njegove ekipe je u analizi i primeni takozvanih “stisnutih stanja” svetlosti (squeezed state). Veliko otkriće kvatne mehanike je da ne samo što svaka fizička veličina ima fundamentalnu netačnost već i da ako napravimo eksperiment kojim povećavamo na primer tačnost merenja lokacije neke elementarne čestice to dovodi do pogoršanja u tačnosti merenja njenog impulsa, pa time i brzine.

U slučaju svetlosti takav spregnuti par su amplituda i faza laserskog snopa. Poznavanje faze talasa je kritično za tačnost laserskog interferometra, jer time znamo tačnije kako se talasi sabiraju a time i amplitudu gravitacionog talasa koji je promenio rastojanje između ogledala na krajevima dva tunela. S druge strane, tačno poznavanje amplitude laserskog snopa je manje važno.

U kvantnoj optici je već bio poznat koncept takozvanog “stisnutog stanja “u kome je svetlost preparina tako da se poveća tačnost poznavannja faze talasa na račun tačnosti poznavanja amplitude. Kip Torn i njegovi saradnici su primenili taj koncept na LIGO, sračunali i objasnili fundamentalna ograničenja koja postoje za LIGO interferometar, i pokazali kako ona mogu da se optimiziraju korišćenjem stisnutih stanja.

“Stisnuta” stanja (squeezed states) svetlosti: tačnije merenje faze talasa (važno!) na račun slabijeg poznavanja amplitude talasa (što nije važno). Izvor

Kip Torn je imao još jedan veliki doprinos projektu. Fizičari i astronomi su prirodno na šanse LIGO projekta gledali sa interesovanjem ali i sa skepsom kada su čuli da je potrebno postići preciznost od desetog dela radijusa protona.  Torn je bio neumoran promoter, koji je decenijama strpljivo, seminar za seminarom, članak za člankom, objašnjavao važnost projekta, njegov potencijal da vidimo ono što  nikako drugčije ne možemo, i realistične šanse da se to postigne. Ta vrsta kominikacije je bila neophodna da bi se zadobila podrška zajednice u uvek prisutnoj borbi za finansiranje i da bi privukli mlađi, perpektivni ljudi u projekat. Danas, kada je LIGO kolaboracija od preko 1,000 fizičara a detektor ima prezicnost od 1/10.000 radijusa protona (jest, toliko: 10^-4 ), nema više mesta skepsi već samo divljenju.

RON DRIVER

 Ron Driver (1931-2017) u svojoj laboratoriji. Izvor

Na inicijativu Kipa Torn Kalteh je zaista formirao grupu za eksperimentalnu relativnost na čije čelo je došao Ron Driver (Ronald Drever), fizičar iz Glazgova koji je sa lepim uspehom već radio na sličnom dizajnu. Pod njegovim rukovodstvom na Kaltehu je napravljen prototip interferometra čiji su kraci imali po 40 m.

Mini-LIGO, Kaltehov protip interferometra sa kracima dužine 40 m. Izvor

Na tom interferometru su isprobane razne tehnike i urađeni testovi koji su bili neophodni pre nego što bi se iko usudio da započne konstrukcije većeg detektora. Kao ilustraciju teškoća koje je trebalo savladati i temeljitosti ekipe koja je radila na ovom instrumentu, recimo da prvih desetak godina dva snopa nikada nisu bila kombinovana da bi se videla interferencija! Svo vreme je otišlo na razumevanje, podešavanje i poboljšanje svakog kraka ponasob.

Rešenja koje su Driver i saradnici ovde razvili postala su deo velikih LIGO interefrometara kada su oni napravljeni. Među tim doprinosima najvažniji je detalj koji je na slici interferometra gore označen kao “Light Storage Arm.” Radi se o veštoj adaptacije tehnike poznate u kvantnoj optici kao Fabri-Peroova šupljina gde se (parcijalni)  laserski snop veliki broj puta odbija između dodatnih ogledala pre nego što se pošalje u polu-propusno ogledalo (Beam-Splitter). Rezultat je da svaki snop putuje ne 4 km u svom kraku već 280 puta duže, čitavih 1.120 km. To povećava preciznost intereferometra za tri reda veličine!

Poslednjih 25 godina Driver nije radio na LIGO projektu, što je posebna priča, ali njegov doprinos nije zaboravljen. Da je ova Nobelova nagrada dodeljena prošle godine, opšti je utisak da bi Driver bio treći dobitnik, uz Torna i Vajsa. Preminuo je marta 2017, u svojoj 85. godini.

BARI BARIŠ

Bari Bariš, direktor LIGO projekta 1994-2005. Izvor

Početak svakog projekta obično finansiraju sami univerziteti, ali za njihov dalji opstanak potrebno je finansiranje federalnih institucija za razvoj nauke. Za LIGO, to je bio američki Nacionalni fond za nauku (NSF).

Predlog svakog projekta rigorozno ocenjuje panel fizičara koji rade u sličnim oblastima. Kad je u pitanju ovako veliki projekat to nije bio anoniman proces. Lideri LIGO projekta uživo su radili prezentacije pred svojim istaknutim i skeptičnim kolegama. Mišljenje takvog panela se prosleđuje odgovornim menadžerima Fondacije koji donose odluku o finansiranju.

I pored sve stručne skepse, sa tehničke strane LIGO je imao odlične ocene, jer su bili jasni naučni potencijal projekta i sposobnosti ljudi koji su na njemu radili. Ali NSF je postavio striktne uslove oko organizacije projekta. Prvo, sasvim jasno već početkom osamdesetih, Vajsu i Tornu je rečeno da NSF nema ni sredstva ni namere da finansira dva rivalska projekta, već da ako misle da nastave to mora da urade zajedno. Tako je u ovom slučaju došlo do “prinudnog braka” Kalteha ii MIT-a, dva moćna istraživačka univerziteta. To je ustvari bio LIGO početak.

Krajem te decenije NSF je postavio drugi kritičan uslov. Ocenjeno je da upravljanje projektom kroz trijumvirat Vajsa, Torna, i Drivera, nije ni malo efikasno. Odluke između tri džentlemena su se teško donosile i projekt je bio sporiji nego što je trebalo. Preporuka bez alternative je bila da se izabere direktor projekat koji će imati autoritet i ovlašćenja da “preseče”.  Tako je posle kraćeg turbulentnog perioda na čelo LIGO projekta došao Bari Bariš, sa Kalteha.

Barišova specijalnost je ekperimentalna fizika elementarnih čestica. Njegove studije kvarkova u protonima koristeći snopove neutrina bile su među najznačajnijim ekperimentima sedamdestih kao jedna od prvih indikacija tačnosti teorije elektro-slabe fundamentalne interakcije, procesa koji se završio konačnim otkrićem Higs bozona. Bariš je kasnije je radio na pokušajima detekcije hipotetičkih magnetnih monopola, o kojima su teoretičari mnogo špekulisali sedamdesetih i osamdesetih, ali ovog puta sa negativnim rezultatom. Bariš je imao ogromno tehničko znanje, i u oblasti fizike i tehnologije, i iskustvo sa velikim, skupim projektima sa mnogo fizičara, što je bilo ključno.

LIGO legenda je da je Bariš “spasao” projekat. Od tri nevelike ekipe fizičara on je stvorio međunarodnu ekipu. Pod njegovom rukom konstrusiane su LIGO laboratorije u Vašingtonu i Luizijani, povećana snaga lasera i urađene razne druge detaljne modifikacije koje su povećale stabilnost i preciznost detektora. 

Uz laboratorije Bariš je formirao LIGO Naučnu Saradnju (LIGO Scientific Collaboration), grupu koja je narasla na preko 1,000 fizičara sa svih kontinenata. Tu je bilo eksperata za optiku, niske šumove, numeričku relativnost, obradu podataka, i sve drugo što je projekat zahtevao. Fleksibilno finansirani iz raznih izvora, svako je imao isti cilj, da da svoj doprinos operativnosti detektora i prvoj detekciji gravitacionih talasa. Što se i dogodilo, praktično odmah čim je poboljšani LIGO (Advanced LIGO) pušten u pogon. Osetljivost detektora je tako dobra da “oseća” neizbežne slučajne fluktuacije u broju fotona u laserskom snopu i njihov pritisak na ogledala.

BUDUĆNOST

Od svoje prve detekcije koja je potvrdila teriju relativnosti i samo postojanje gravitacionoh talasa, LIGO je sada postao opservatorija za gravitacionu astronomiju.

Crne rupe zvezdanih masa. Izvor 

Astrofizička posmatranja koristeći optičke i rendgenske teleskope su već dala solidnu evidenciju za postojanje crnih rupa čije se mase kreću od oko 5 pa do do oko 20 masa Sunca. LIGO je otkrio postojanje masivnijih crnih rupa u ranijem svemiru, čije mase se kreću od oko 20 pa do skoro 100 solarnih masa. Mehanizam nastanka tako masivnih crnih rupa je već predmet intenzivnih studija. (Posebna kategorija su takozvane supermasivne crne rupe, sa masama preko milion masa Sunca, koje nalazimo u jezgrima galaksija.)

Od velikog značaja je da je ovog leta postao aktivan i treći detektor u Italiji, rezultat italijansko-francuskog projekta pod imenom VIRGO. Četvrti signal (prvi sdesna na slici gore) zabeležila su ovog avgusta sva tri aktivna detektora, što je omogućilo da se preciznije odredi njegova lokacija na nebu.

Lokacija četvrtog registrovanog izvora gravitacionih talasa GW170814. Sa dva LIGO detektora najviše što znamo je da je izvor negde unutar plavičaste “kifle.” Uz dodatak detekcije sa trećeg, VIRGO detektora, lokacija je svedena na manji ovalni region. Izvor 

Vredi istaći da su još pre skoro 30 godina lokacije dve LIGO opservatorije izabrane tako da se optimizira buduća saradnja sa detektorima u Italiji i Nemačkoj koji su bili u začetku.  LIGO planira da kosntruiše treći interferometar u Indiji, a poboljšani detektor u Japanu bi trebalo da uskoro ponovo postane aktivan. I dalje je u planu je LISA, svemirska laboratorija ga gravitacione talase, koje bi se sastojala od tri satelita koji obrazuju ravnostrani trougao u kome svaka strana ima po 2.5 miliona km. Razmenom i kombinacijom laserskih snopova između njih biće moguće  precizno detektovanje gravitacionih talasa nižih frekvenci, koje nije moguće sa Zemlje zbog prevelikih seizmičkih šumova.

Zajednički rad sadašnjih ii planiranih detektora gravitacionih talasa ima za cilj da potpunije pokrije raspon njihovih frekvenci i time i spektar raznih mogućih astrofizičkih i kosmoloških izvora, od kompaktnih dvojnih zvezda do pozadinskog šuma kome su uzrok kvantni procesi u vrlo ranom svemiru.

Postojeći ii planirani detektori gravitacionih talasa. Na x-osi je frekvenca očekivanih gravitacionih talsa, a na y-osi sračunata relativna promena rastojanja između dva ogledala u interferometru. LIGO pokriva domen gravitacionih talasa koji se emituju spajanjem crnih rupa illi neutronskih zvezda, kao i ekslpozijama bliskih supernova. Budući detektori će biti manje osetljivi nego LIGO ali će pokriti gravitacione talase iz drugih procesa. Izvor

Epilog

To je eto priča o LIGO projektu, nastalom iz susreta dva mlada fizičara koji su mnogo godina kasnije videli  uspeh svog projekta ii dobili zasluženo priznanje. Kako su Vajs, Torn, i Bariš, više puta naglasili, Nobelova nagrada dodeljena ove nedelje pretstavlja priznanje celom velikom LIGO timu koji je ostvario ovaj čudesni projekat, neviđene osetljivosti i preciznosti.

Dugi razvoj projekta je bio neizbežan. Sadašnju LIGO preciznost nije bilo moguće ostvariti kroz tehnologije koje su postojale pre 20 ili 30 godina. Šta će sve LIGO i druge gravitacione opservatorije još naći, ostaje da vidimo.

Nobelova nagrada za fiziku 2017: Vajs, Bariš, i Torn. Izvor

Milan MIJIĆ, Astronomski magazin