Fale grawitacyjne

Astronomia i astrofizyka przeżywają złoty wiek. Przez stulecia te najstarsze z nauk były ograniczone do obserwacji gołym okiem. Mimo to osiągnęły wiele: zdolność przewidywania zaćmień Słońca i wielu innych zjawisk. Użycie w 1609 r. przez Galileusza lunety do obserwacji kosmosu stanowiło przełom. Odtąd każde nowe osiągnięcie technologiczne przynosiło nowe odkrycia. Galileusz zobaczył kratery na Księżycu, nierówny brzeg jego tarczy, plamy na Słońcu, księżyce Jowisza i setki nowych gwiazd. Powiększanie teleskopów zwielokrotniało te osiągnięcia.

Ale rozwój XX-wiecznej fizyki i techniki umożliwiły obserwacje kosmosu w zakresach widma elektromagnetycznego, którego nie rejestruje oko. Rozwój techniki radarowej w czasach II wojny światowej przyspieszył obserwacje Wszechświata w zakresie radiowym, a to doprowadziło do odkrycia radiogalaktyk i pulsarów. Ograniczenia obserwacyjne, wynikające z nieprzezroczystości atmosfery dla wielu form promieniowania, zostały pokonane dzięki wynoszeniu detektorów w kosmos.

I tak w końcu lat 60. odkryto źródła promieniowania rentgenowskiego, wśród nich zawierające czarne dziury. Wyniesienie w przestrzeń detektorów promieniowania podczerwonego pozwoliło na badanie m.in. obłoków gazu międzygwiazdowego, w których powstają nowe gwiazdy, oraz badanie centrum naszej Drogi Mlecznej i wykrycie w niej supermasywnej czarnej dziury, o masie ok. 3 mln mas Słońca. Badania satelitarne w zakresie ultrafioletowym pozwoliły na badanie gorących gwiazd. Wreszcie badania przy użyciu sond kosmicznych promieniowania o najwyższej energii, promieniowania gamma, pozwoliły na wykrycie zjawisk wyzwalających potężne błyski promieniowania. W podobny sposób astronomowie i fizycy zaczęli obserwować Wszechświat rejestrując cząstki promieniowania kosmicznego i kosmiczne neutrina.

Za każdym razem, kiedy technologia pozwalała na zwiększenie dokładności obserwacji, astronomowie odkrywali nowe zjawiska i obiekty. Teoretycy zyskiwali potwierdzenie swoich teorii. Tak było od Galileusza, przez Newtona, Halleya itd. Przez cały XX wiek astronomowie pootwierali okna – okna na obserwowanie Wszechświata we wszystkich zakresach widma (długości fal) promieniowania mikrofalowego. Mało tego, udoskonalili w niebywałym stopniu precyzję obserwacji docierających z kosmosu cząstek – promieniowania mikrofalowego i neutrin.

Brakowało tylko jednego. Jednego rodzaju sygnału, pochodzącego z kosmicznych zjawisk, jak się wydawało mało prawdopodobnych i mało znaczących, a w każdym razie trudnych do wykrycia. Ogólna Teoria Względności opisuje grawitację jako efekt odkształcenia czasoprzestrzeni wokół ciała o danej masie. Jeśli ta masa zmienia swoje położenie, to odkształcenie („zakrzywienie”) czasoprzestrzeni powinno się zmieniać.

W jaki sposób? Czy okresowe zmiany, np. w wyniku obiegu jednego ciała przez drugie, powinny wywoływać okresowe zmiany krzywizny czasoprzestrzeni, i co z tymi zmianami powinno się dziać? Czy powinny powstawać? Czy zanikać? Czy rozchodzić się do nieskończoności? Czy powinny unosić energię?

Są to pytania, na które od powstania Ogólnej Teorii Względności na początku XX w. próbowali odpowiedzieć najwięksi fizycy. Ważną rolę w wykazaniu, że z Ogólnej Teorii Względności wynika istnienie fal grawitacyjnych, odegrał profesor Uniwersytetu Warszawskiego Andrzej Trautman.

Fale grawitacyjne, których istnienie potwierdziły pośrednio w latach 70. ubiegłego wieku obserwacje układu podwójnego pulsara, odkrytego przez Russella Hulse’a i Josepha Taylora (za co otrzymali Nagrodę Nobla w 1993 r.), zostały bezpośrednio zarejestrowane w sierpniu 2017 r., co ogłoszono na przełomie lat 2017/2018. W tej rejestracji miała udział grupa polskich astrofizyków z grupy Polgraw.

Bezpośrednia rejestracja fal grawitacyjnych nie tylko kończy stuletni spór o ich istnienie. Otwiera też ostatnie okno na Wszechświat. Umożliwi niemal bezpośrednią obserwację takich zjawisk jak zlewanie się czarnych dziur, gwiazd neutronowych, gwiazd neutronowych i czarnych dziur, gwałtownych zjawisk na powierzchni gwiazd neutronowych, wybuchów supernowych itp.

Znakomita książka „Fale grawitacyjne. Nowa era astrofizyki” zawiera przystępny wykład historii poszukiwania teoretycznych dowodów na istnienie tych fal, dowodów wynikających z teorii względności, jak i eksperymentalnych poszukiwań. Nathalie Deruelle z francuskiego Narodowego Centrum Badań Naukowych i Jean-Pierre Lasota z Obserwatorium Paryskiego, a obecnie Centrum Astronomicznego im. Mikołaja Kopernika w Warszawie, to światowi eksperci w dziedzinie fal grawitacyjnych. Ich wspólne dzieło znakomicie wprowadza w tę nową dziedzinę astronomii. ©

Nathalie Deruelle, Jean-Pierre Lasota, FALE GRAWITACYJNE. NOWA ERA ASTROFIZYKI, przeł. Krystyna Szeżyńska-Maćkowiak, Prószyński i S-ka, Warszawa 2019