Trei secole de căutări ar putea primi răspuns în curând

Fizica descrie toate fenomenele şi procesele din Univers prin intermediul a 4 interacţiuni fundamentale: gravitaţia, interacţiunea electromagnetică (aflată, cel mai adesea, la îndemâna experienţei noastre directe, în forma luminii), interacţiunea tare, care ţine nucleul atomilor în stare legată, şi interacţiunea slabă ,ale cărei efecte sunt cunoscute, cel mai frecvent, în procesul de dezintegrare.

Între aceste patru interacţiuni care acţionează în Univers, gravitaţia este prima care a primit o descriere matematică. Felul în care aceasta se manifestă a primit diverse descrieri chiar începând cu cele mai vechi timpuri, existând mărturii scrise în India (chiar din secolul al VIII-lea înainte de Hristos) dar şi Grecia antică (unde, între alţii, poate fi menţionat Aristotel). Prima descriere matematică a gravitaţiei, printr-o formulă care este şi astăzi folosită în şcoli şi în industrie, a fost dată de Isaac Newton în 1687. Cu toată această istorie lungă, gravitaţia este astăzi interacţiunea cel mai puţin cunoscută dintre forţele detectate în Univers.

După Isaac Newton, cele mai mari contribuţii referitoare la descrierea interacţiunii gravitaţionale le-a avut Einstein. Newton a descrie gravitaţia ca fiind interacţiunea ce atrage planetele una de alta, cu o putere direct proporţională cu masele celor două corpuri şi invers proporţională cu pătratul distanţei între ele. Nimic special în descrierea gravitaţiei nu s-a întâmplat timp de aproape 300 de ani, până la Einstein. El a găsit o descriere mai exactă a gravitaţiei, prin intermediul curburii spaţiu-timp. Aceasta nouă descriere a gravitaţiei prezintă atracţia dintre corpurile masive în termeni de curbură a spaţiului.

Gravitaţie - pretutindeni şi nicăieri

În timp ce gravitaţia şi interacţiunea electromagnetică se fac simţite la distanţe foarte mari, celelalte două interacţiuni au raze de acţiune cu mult mai mici decât dimensiunile unui atom. Faptul că lumina se propagă la distanţe foarte mari face posibilă vederea semnalelor provenind de la stele aflate la distanţe enorme de Pământ sau receptarea în telefon a unui mesaj transmis de o persoană care ne vorbeşte acum, dar care se află la o distanţă foarte mare de noi.

Şi gravitaţia acţionează la distanţă. Prin intermediul acţiunii ei se explică de ce Pământul orbitează în jurul Soarelui, şi de ce Soarele orbitează în jurul centrului galaxiei noastre, deşi şi distanţa dintre Pământ şi Soare şi, cu atât mai mult, cea între Soare şi centrul Căii Lactee sunt foarte mari (ultima pomenită aici este de aproximativ 500 de miliarde de miliarde de kilometri). Cu toate că este evidentă acţiunea gravitaţiei la distanţă, totuşi undele care fac posibilă acţiunea ei nu au fost încă descoperite. Interacţiunea electromagnetică este prezentă în lumea noastră prin intermediul undelor electromagnetice. Omul poate chiar vedea aceste unde, o anumită bandă de frecvenţe din undele electromagnetice fiind vizibile cu ochiul liber. Noi putem vedea, aşadar, o parte din radiaţia ce face simţită această interacţiune la distanţe foarte mari. Totuşi, în cazul gravitaţiei, nici cu cele mai sofisticate aparate, oamenii nu au reuşit să identifice undele gravitaţionale.

Simfonia cosmosului

Detectarea undelor gravitaţionale ar putea aduce îmbunătăţiri semnificative modelului cosmologic actual. Undele gravitaţionale sunt cele care, alături de radiaţia luminoasă, alcătuiesc simfonia cosmosului. Toată materia cunoscută până în prezent (materia luminoasă şi materia întunecată) interacţionează gravitaţional. Cu alte cuvinte, toate particulele cunoscute până în prezent, interacţionează gravitaţional. De aceea, cunoaşterea undelor gravitaţionale ar deschide calea spre o mai bună înţelegere a modului cum interacţionează microcosmosul, unde gravitaţia este foarte slabă, cu macrocosmosul, unde gravitaţia este cea mai intensă dintre interacţiuni. Vor putea fi dezvăluite mai multe aspecte privind găurile negre dar şi altele ce privesc formarea galaxiilor sau stelelor.

Undele gravitaţionale sunt produse de orice corp care posedă masă. În general însă, interacţiunea gravitaţională are o intensitate foarte scăzută, şi pentru a fi detectată este nevoie ca undele gravitaţionale să aibă o intensitate foarte mare. Fenomene cosmice violente în care sunt angajate corpuri cu densităţi de masă foarte mari ar putea fi o sursă bună pentru astfel de unde gravitaţionale intense.

Provocări pentru tehnologia actuală

Însă, chiar dacă am avea acces la evenimente cosmice a căror protagonişti ar fi corpurile masive, detectarea undelor gravitaţionale nu ar fi uşoară pentru că nu se cunoaşte aproape nimic despre structura lor, pentru a se putea construi, să spunem, receptorul care să le pună în evidenţă. Pentru undele electromagnetice, spre exemplu, oamenii au pus deja la punct de mai bine de un secol, tehnologia tranzistorului care receptează undele electromagnetice pentru a le transformă în sunete. Nu vedem cea mai mare parte din spectrul acestor unde electromagnetice, dar un aparat de radio ne poate arăta cu uşurinţă cât de multe sunt ele de fapt. Aceste receptoare de unde electromagnetice ne arată că de fapt, întreg universul este plin de radiaţie electromagnetică, chiar dacă noi nu vedem decât o mică parte din ele. Ei bine, pentru detectarea undelor gravitaţionale, ar trebui pusă la punct soluţia tehnică pentru construcţia unui dispozitiv asemănător cu un tranzistor, care să poată le recepta.

În 2005, s-a finalizat construcţia unui detector pentru undele gravitaţionale - LIGO. În multe privinţe, LIGO este primul detector al secolului al XXI-lea, prin soluţiile tehnice alese pentru diferite secţiuni dar şi pentru anvergura construcţiei. Ideea principală a acestui detector este că la trecerea unor unde gravitaţionale prin spaţiul terestru, acestea afectează - este adevărat foarte puţin, semnalele electromagnetice existente în ambientul terestru. Instrumentul, care este, în fapt, o construcţie de mare complexitate, se întinde pe o suprafaţă considerabilă, între Louisiana, Washington şi alte câteva locaţii apropiate.

Un super calculator - detectivul undelor gravitaţionale

Timp de 2 ani, acest dispozitiv (Observator pentru Unde Gravitaţionale) a fost utilizat pentru efecturarea de măsurători de foarte mare precizie, utilizând peste 30 de dispozitive diferite, în ce priveşte felul în care parametrii diferitelor radiaţii luminoase sunt perturbaţi. Toate datele culese de LIGO în cei 2 ani de funcţionare care s-au scurs de la iaugurare reprezintă un volum imens de date. Ele au fost stocate, întrucât nu au putut fi prelucrate în timp real. Acum a venit momentul să înceapă analiza lor. Potrivit unui comunicat dat publicităţii la începutul lunii februarie a acestui an, este în curs de finalizare construcţia unui super computer care va analiza datele stocate.

Cunoscând însă actuala descriere a gravitaţiei şi dispunând de volumul de date acumulat de-a lungul acestor 2 ani de măsurători făcute prin intermediul LIGO, cercetătorii speră să reuşească izolarea perturbaţiilor specifice undelor gravitaţionale, pentru a obţine, în final, mai multe date despre aceste unde, felul cum ar putea arăta amprenta lor. Prelucrarea unui volum atât de mare de date ar cosuma foarte mult timp. Din acest motiv, cercetătorii au fost nevoiţi să pună la punct unul dintre cele mai puternice computere din câte s-au cunoscut vreodată. Complexul SUGAR (Syracuse University Gravitational and Relativity Cluster), care va căuta amprenta gravitaţiei - aşa cum este ea descrisă de ecuaţiile lui Einstein - în volumul acesta imens de date şi care reuneşte 80 de calculatoare, însumând 320 de unităţi de procesare, cu o memorie RAM de 640 GB şi un hard disck de 96.000 de GB. Aceste calculatoare sunt cuplate într-o reţea cu o viteză de transfer de 1 GB pe secundă cu suport de fibră optică ce traversează întreg teritoriul Statelor Unite ale Americii, între California Institute of Technology şi New York. (Pentru a avea un reper de comparaţie, un calculator de birou, de putere medie, utilizat astăzi în operaţii curente, are o singură unitate de procesare - un procesor - 1 GB memorie RAM şi 250 de GB hard disk).

Chiar şi aşa, prelucrarea datelor va necesita o perioadă semnificativă de timp, însă rezultatele sunt extrem de preţioase pentru că ele pot face lumină asupra multora dintre problemele cele mai stringente cu care se confruntă fizica ultimului secol. (Prelucrat după un articol publicat in Science Daily, 18 Februarie 2008. Date despre LIGO au fost preluate de pe www.ligo.clatech.edu.).