Piotr Stanisławski
Odkryto fale grawitacyjne Rys. NASA
Są wszechobecne, ale szalenie trudne do uchwycenia. Fale grawitacyjne udało się odkryć dzięki kosmicznemu wydarzeniu o energii, jakiej ludzkość nigdy wcześniej nie zarejestrowała. To odkrycie na miarę nagrody Nobla.
Czekaliśmy na to 100 lat. W 1916 roku Albert Einstein ogłosił ogólną teorię względności, której istotą było twierdzenie, że siła grawitacji wynika z zakrzywienia czasoprzestrzeni wywołanego przez zniekształcającą ją masę. Z obliczeń związanych z teorią Einsteina wynikało, że na samej czasoprzestrzeni pewne zjawiska mogą wywoływać zmarszczki przemieszczające się z prędkością światła. To właśnie fale grawitacyjne.
Problem w tym, że przez 100 lat nie potrafiliśmy potwierdzić doświadczalnie istnienia tych fal – mieliśmy tylko pośrednie dowody. Teraz udało się bezpośrednio zarejestrować fale grawitacyjne, które powstały w wyniku zlania się dwóch czarnych dziur. To najbardziej energetyczne zjawisko, jakie kiedykolwiek obserwowała ludzkość.
Rozciąganie lasera
Fale grawitacyjne zaobserwowano dzięki współpracy dwóch projektów – amerykańskiego LIGO i europejskiego VIRGO. Oba dysponują detektorami fal grawitacyjnych czyli ogromnymi interferometrami laserowymi. To urządzenia, które na odcinku kilku kilometrów (LIGO – 4, Virgo – 3) setki razy odbijają promienie lasera. Dwa rozdzielone wcześniej promienie lasera spotkają się w jednym punkcie. Jeśli wszystko jest normalnie, to oba promienie znoszą się wzajemnie i nic nie trafia do detektora.
Fale grawitacyjne, te pędzące zmarszczki czasoprzestrzeni, ma moment zmieniają długość jednego z ramion interferometru o zaledwie jedną miliardową jednej miliardowej metra. To jednak wystarczy, by fale światła z laserów na moment przesunęły się względem siebie i przestały wzajemnie znosić. Promień światła trafia na detektor, a my wiemy, że drgnęła osnowa rzeczywistości. Jednak by detektor wychwycił fale grawitacyjne, musi być odizolowany od innych czynników, które mogłyby zakłócić odczyt – choćby drgań gruntu wywołanych przez jadący gdzieś samochód czy nawet wiejący wiatr. Dlatego cała konstrukcja detektora zrobiona jest z niewiarygodną precyzją, panuje tam głęboka próżnia, a wszystkie elementy są bardzo dokładnie izolowane od wszelkich zakłóceń.
To była gigantyczna energia
Właśnie takie zaburzenie udało się we wrześniu zaobserwować w dwóch detektorach LIGO, a potwierdzić w europejskim VIRGO. Fala grawitacyjna nadleciała do nas z odległości 1,3 miliarda lat świetlnych i tak zniekształciła czasoprzestrzeń, że przez ułamek sekundy jeden z promieni lasera musiał pokonać większą odległość, niż drugi. Choć fale, które pokonały gigantyczna odległość były już bardzo słabe, to pochodziły z niezwykle silnego źródła. Dawno, dawno temu (1,3 mld lat) w odległej (o 1,3 mld lat świetlnych) galaktyce połączyły się ze sobą dwie czarne dziury, jedna o masie 29, a druga 36 mas Słońca. Utworzyły razem większą czarną dziurę, która miałaby masę 65 Słońc. Miałaby, gdyby nie to, że podczas połączenie masa równa trzem masom Słońca zamieniła się w energię w postaci fal grawitacyjnych.
3 masy Słońca to bardzo, bardzo dużo. Jak dużo można się przekonać sięgając po najbardziej znany wzór świata: E=mc2. E to energia, m to masa (3 x Słońce czyli 3 x 1,98855×1030 kg), c to prędkość światła (300 000 000 m/s). Wychodzi… dużo. To niosące najwięcej energii zjawisko, jakie udało się kiedykolwiek zarejestrować. Co więcej w chwili, gdy czarne dziury się połączyły, wyemitowały więcej energii, niż cały pozostały Wszechświat. To tak dużo, że nawet po przebyciu miliarda lat świetlnych fala była na tyle silna, że zdołała się wyróżnić z szumu.
profesor Andrzej Królak z Instytutu Matematycznego PAN, szef polskiego zespołu. Fot. Jakub Ostalowski
Właśnie wyłowienie tej fali było zadaniem polskiej części zespołu, którą kieruje profesor Andrzej Królak z Instytutu Matematycznego Polskiej Akademii Nauk. W polskim zespole pracuje 15 osób, które odpowiadają za analizę danych oraz modelowanie układów, które mogą generować silne fale grawitacyjne. Zespół polskich astrofizyków przewidział, że wydarzenia takie, jak połączenia czarnych dziur mogą być znacznie częstsze niż dotąd sądzono i że to właśnie one mogą stać się źródłem fal grawitacyjnych na tyle silnych, że uda się je wykryć.
Moment zlewania się czarnych dziur pozostawił bardzo charakterystyczny sygnał. Gdy wirowały wokół siebie, wytwarzały fale grawitacyjne. To pochłaniało ich energię, więc zbliżają się do siebie wirując coraz szybciej. To powoduje, że wytwarzane fale grawitacyjne mają coraz wyższą częstotliwość i jest ich coraz więcej. A to znowu powoduje szybszą utratę energii, dalsze zbliżanie się i dalszy wzrost częstotliwości. Rośnie ona coraz szybciej aż do momentu, gdy czarne dziury zleją się całkiem ze sobą. Taki proces pozostawia wyjątkowy ślad, który trudno pomylić z czymkolwiek innym. To właśnie zarejestrowanie owego charakterystycznego śladu upewniło naukowców, że zarejestrowany sygnał to fale grawitacyjne, a nie efekt jakiegoś błędu.
Oczywiście fal grawitacyjnych nie da się usłyszeć, ale badacze przetworzyli je na dźwięk, który dobrze pokazuje, jak to się dzieje. Zwróćcie uwagę na końcowe wznoszące się piknięcie – moment przed zlaniem się czarnych dziur:
To jest odkrycie na miarę Nobla – prawdopodobnie w ciągu kilku najbliższych lat, gdy wyniki zostaną potwierdzone i powtórzone, nagroda zostanie przyznana. Oczywiście, jak to z Noblami bywa, dostaną ją tylko dwie lub trzy osoby, które stały na czele całego zespołu.
Zajrzymy w miejsca niedostępne
Ważną częścią odkrycia jest jego zastosowanie praktyczne. Dotąd niemal wszystko, co wiemy o Wszechświecie pochodzi z obserwacji fal elektromagentycznych – światła widzialnego, ultrafioletu, podczerwieni, promieni gamma czy mikrofal. Tymczasem fale grawitacyjne to inne, równolegle zachodzące zjawisko. Ich obserwacja pozwala zajrzeć w miejsca, których dotąd nie znaliśmy – do wnętrza supernowej czy gwiazdy neutronowej, w której materia jest ściśnięta bardziej, niż w jądrze atomu. Będziemy też mogli obserwować ślady fal grawitacyjnych wywołanych przez Wielki Wybuch. Wciąż są one obecne i przemierzają Wszechświat niosąc informacje o samym początku naszego kosmosu.
Tym razem odkrycie wydaje się być pewne – o odkryciu fal grawitacyjnych informowano dwa lata temu, jednak tamte wyniki zawierały błąd. Tym razem, dzięki współpracy trzech detektorów szansa błędu jest znikoma.
Oryginalna praca opisująca odkrycie
Rozmowa z prof. Andrzejem Królakiem i dr. hab. Michałem Bejgerem – członkami polskiego zespołu badającego fale grawitacyjne – w radiu Tok FM w sobotę 13 lutego po 21 w naszej audycji Homo Science. Zapraszamy!
Pod tym adresem znajdowała się wcześniej informacja o odkryciu fal grawitacyjnych, które jednak okazało się błędem. Obecnie ten tekst można przeczytać tu