Преди 100 години в своята обща теория на относителността Алберт Айнщайн предвиди съществуването на тъмна материя в космоса.
Той твърдеше, че съществуват невидими "гравитационни вълни" - колебания в тъканта на време-пространството, предизвикани от някои от най-мощните явления в космоса: например, експлозията на звезда, сливането на черни дупки, а защо не и самия Голям взрив.
В продължение на десетилетия астрономите успяваха да съберат силни косвени доказателства за наличието на тези вълни, но на практика никога досега те не бяха засичани.
Гравитационните вълни са последният елемент от общата теория, който все още не бе верифициран.
Астрономите използват светлината, за да изследват вселената чрез оптични телескопи от хилядолетия.
Възможностите ни за наблюдение на космическите явления се подобриха значително през втората половина на 20 век, след създаването на детектори и инструменти, чувствителни към всички форми на онова, което физиците наричат "светлина" - електромагнитният спектър от гама-лъчите до радио-вълните.
Но откритието на гравитационните вълни представлява първата ни стъпка към изследването на вселената чрез гравитационно-вълновия спектър, който съществува независимо от светлината. Благодарение на това откритие ще можем да изследваме директно ефектите на гравитацията в целия космос.
Това е първата страница на един съвършено нов раздел за астрономията и цялата наука.
Как се случи откритието?
Началото е поставено през септември 2015 г., когато т.нар. LIGO - лазерна интерферометрична гравитационно-вълнова обсерватория - улавя гравитационна вълна от сливането на две огромни черни дупки в отдалечена галактика.
LIGO представлява интерферометър - той се състои от два 4-километрови "ръкава", разположени под прав ъгъл един с друг, облечени в бетонени тръби, и лазерен лъч, който се насочва и отразява в различни посоки от огледала, поставени в края на всяка тръба.
Когато се случва гравитационното вълнение, разтеглянето и свиването на пространството кара тези "ръкави" да се удължават или намаляват в последователност, като единият става по-дълъг, а другия - по-къс, и обратното.
При промяната в дължините на ръкавите се променя и времето, което отнема на лазерните лъчи да пропътуват през тях. Това означава, че двата лъча вече не са "в синхрон", т.е. създава се модел на интерференция, откъдето идва и името "интерферометър".
Промените в дължината на ръкавите са всъщност миниатюрни - отклонението е в размер на една милионна от милионната от диаметъра на човешкия косъм. Защо? Защото сигналът от гравитационната вълна, предизвикана в отдалечена точка на космоса, е невъобразимо слаб в момента, в който достига до Земята.
Physics Gif Friday: how the #LIGO uses lasers and mirrors to detect gravitational waves pic.twitter.com/aPZIOrX02y
— Institute of Physics (@PhysicsNews) February 12, 2016
Не само че засичането му е пределно трудно, но и всички локални колебания на Земята усложняват процеса - от земетресенията до смущенията по електрическата мрежа, както и всякакви инструментални "шумове", които биха могли да наподобяват или тотално да заглушат истинския сигнал от космоса.
За да се постигне съвършена чувствителност на LIGO, почти всеки аспект от устройството на детекторите в него беше променян и подобряван през последните години. В момента обсверваторията е най-фино чувствителният научен инструмент в света. Именно той ни даде възможност за пръв път да прогледнем в тъмната материя.
Преди много, много години, в една далечна галактика...
Двете черни дупки, които се сблъскаха, имат съответно 29 и 36 пъти по-голяма маса от Слънцето. Това е и първото пряко доказателство, че черните дупки съществуват, могат да съществуват по двойки, както и че могат да се сливат.
Сравнението между нашите данни и предсказанията на Айнщайн ни позволи да проверим дали общата теория на относителността описва правилно сливането на черни дупки - и всички тестове се оказаха успешни.
Това явление се случва на повече от 1 млрд. светлинни години разстояние от Земята, като преобразува три пъти по-голяма маса от тази на Слънцето в гравитационно-вълнова енергия.
Силата, излъчена чрез тези вълни, е над 10 пъти по-мощна от сбора на светимостта (количеството излъчвана енергия) на всяка звезда и галактика в обозримата вселена.
Това е истински катаклизъм, случил се "преди много, много години в една далечна галактика".
В "Междузвездни войни" Дарт Вейдър ни предупреждаваше "да не подценяваме силата на тъмната страна".
Ето това велико откритие показва колко прав е бил той.
Разбира се - откритието не се изчерпва само с това да проверим дали Айнщайн е бил прав.
Засичането на гравитационните вълни ще ни помогне да изследваме най-отдалечените полета на космоса - гравитационния радиус на черната звезда, ядрото на свръхновата, вътрешната структура на неутронната звезда, които са напълно недостъпни за електромагнитните телескопи.
Възможно ли е да "впрегнем" гравитационните вълни за практическа употреба тук, на Земята? Възможно ли е новите открития за тъмната материя да ни помогнат не само да измерваме гравитационните полета, но и да ги манипулираме - така както се случва във въображаемите космически колонии и червейни дупки в "Интерстелар" на Кристофър Нолан?
Много по-трудно е да се предскажат отговорите на тези въпроси, но историята показва, че новите феномени, които откриваме и изследваме, често водят до постигането на технологични пробиви в ежедневния ни живот.
Възможно е да ни отнеме няколко столетия, но съм убеден, че същото ще се случи и с гравитационните вълни.
* Мартин Хендри е професор по гравитационна астрофизика и космология в Университета в Глазгоу.
