Nowe oko na Wszechświat

Istnienie fal grawitacyjnych Albert Einstein przepowiedział równo sto lat temu, w kilka miesięcy po opublikowaniu swojej ogólnej teorii względności. Fale pojawiły się jako efekt założenia, że płaska czasoprzestrzeń jest delikatnie zaburzona przez dygocące masywne ciało. Powstaje wówczas czasoprzestrzeń pofalowana niczym powierzchnia wody, choć fale te są niezwykle delikatne. Tak że ich wykrycie wydawało się wręcz nierealne. Jeszcze w latach 50. debatowano, czy ma to w ogóle fizyczne znaczenie – nie było np. jasne, czy fale grawitacyjne mogą przenosić energię.

W ciągu następnych kilkunastu lat uczeni tacy jak Felix Pirani, Michaił Gercensztajn i Władisław Pustowojt wykazali jednak, że fale grawitacyjne przechodzące przez materię wywołają efekt dający się – przynajmniej w teorii – zarejestrować za pomocą tzw. interferometru (zob. ramka).

W międzyczasie rozwijała się astrofizyka obserwacyjna, dostarczając coraz to nowych danych o masywnych obiektach we Wszechświecie. W 1975 r. Russell Hulse i Joseph Taylor odkryli podwójny układ pulsarów – silnie namagnetyzowanych gwiazd neutronowych, emitujących wiązki promieniowania elektromagnetycznego niczym kosmiczne latarnie morskie. Siedem lat później Taylor wraz z Joelem Weisbergiem stwierdzili, że skraca się okres wzajemnego obiegu tychże pulsarów. Świadczyło to o utracie energii przez układ za sprawą emisji fal grawitacyjnych. Przewidywania ogólnej teorii względności wyśmienicie zgadzały się z obserwacjami.

Za to odkrycie Hulse i Taylor otrzymali w 1993 r. Nagrodę Nobla. Od 30 lat mało który fizyk wątpił więc w istnienie fal grawitacyjnych. A jednak kropki nad „i” wciąż brakowało.

Triumf teorii i technologii

Sama idea ich wykrycia przy użyciu naprawdę dużego interferometru wydaje się prosta. Ale, jak to zwykle bywa, diabeł tkwi w szczegółach. Fale grawitacyjne wyemitowane miliony lat temu powodują na Ziemi jedynie mikroskopijne odkształcenie przestrzeni. Chcąc zmierzyć jego efekt, musimy odizolować potencjalny sygnał od całej masy zakłóceń: wstrząsów sejsmicznych, burz, a nawet ciężarówek przejeżdżających nieopodal.

W 1983 r. Kip Thorne i Ronald Drever z Caltech wspólnie z Rainerem Weissem z MIT powołali projekt LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), który od tego czasu pochłonął już 620 mln dolarów, a w jego pracę zaangażowało się ponad tysiąc naukowców z kilkunastu różnych krajów. Do tego dołączyły siostrzane urządzenia TAMA 300 w Japonii, GEO 600 w Niemczech i Virgo we Włoszech, tworząc potężną globalną sieć. W eksperymencie Virgo działają m.in. polscy naukowcy zrzeszeni w projekcie POLGRAW.

Gdy podjęto decyzję o długofalowym finansowaniu wielkiego detektora, istniały poważne luki nie tylko po stronie technologii, ale również teoretycznego zrozumienia zagadnienia. Wyliczenie efektów rzeczywistego procesu emisji fal grawitacyjnych wyemitowanych np. w procesie kolizji dwóch czarnych dziur wymaga rozwiązania pełnych nieliniowych równań ogólnej teorii względności. Da się to zrobić jedynie przy użyciu ogromnej mocy obliczeniowej komputerów. Odpowiednie narzędzia do takiej analizy wynaleziono dopiero w przełomowych pracach z 2005 r., w sześć lat po tym, jak zbudowano detektor LIGO.

Jesienią zeszłego roku fizycy pracujący przy interferometrze dysponowali już katalogiem potencjalnych sygnałów i wiedzieli, czego szukać. 14 września o godz. 11.50 czasu polskiego, zaledwie trzy minuty po rozpoczęciu zbierania danych, pojawił się sygnał. Bezsprzecznie potwierdzał on istnienie fal grawitacyjnych.

Skąd ta pewność? Taki sam sygnał zaobserwowano w dwóch bliźniaczych detektorach tworzących LIGO – w Livingstone w Luizjanie i w Hanford w stanie Waszyngton. Kształt sygnału pasuje jak ulał do przewidywań ogólnej teorii względności skatalogowanych przez specjalistów od obliczeń numerycznych. Ubierając słowa w liczby: sytuacja, w której to, co zostało zmierzone, byłoby wynikiem czegoś innego niż fali grawitacyjnej, zdarza się raz na 203 tysiące lat.

LIGO powiedziało nam jednak zdecydowanie więcej niż tylko to, że fale grawitacyjne istnieją. Oto 1,2 mld lat temu w odległej galaktyce dwie czarne dziury o masach równych 36 i 29 mas Słońca zaczęły na siebie spadać po spirali, łącząc się w jedną dużą czarną dziurę. Fale grawitacyjne wypromieniowane w tym procesie uniosły ze sobą energię równą trzem masom Słońca pomnożonym przez prędkość światła do kwadratu, aby wychylić źródła interferometru na Ziemi o jedną tysięczną średnicy protonu. W dodatku potrafimy wskazać z niezłym przybliżeniem (ok. 1 proc. obszaru sfery niebieskiej), gdzie ta kosmiczna katastrofa miała miejsce.

CZYTAJ TAKŻE:

Dzień, w którym zafalował świat: fale grawitacyjne naprawdę istnieją. Tekst Łukasza Lamży. 

Grawitacyjny krajobraz

Detektory fal grawitacyjnych nie są tylko drogą zabawką mającą potwierdzić trochę już podstarzałą teorię grawitacji. LIGO wraz ze swymi odpowiednikami w innych miejscach globu tworzą jedyne w swoim rodzaju obserwatorium. Pozwoli nam ono oglądać, czy też usłyszeć, Wszechświat z zupełnie nowej perspektywy.

Natychmiastową konsekwencją odkrycia fal grawitacyjnych jest kolejny dowód, że teoria Einsteina doskonale modeluje oddziaływania grawitacyjne zarówno w obrębie słabych, jak i ekstremalnie silnych pól. Z drugiej strony to właśnie dzięki dokładnym badaniom tych subtelnych zmarszczek czasoprzestrzennych możemy napotkać ewentualne odstępstwa od ogólnej teorii względności. Taką wskazówką byłoby na przykład odkrycie, że fale grawitacyjne rozchodzą się z prędkością mniejszą od prędkości światła. Mogłoby to świadczyć, że grawitony – hipotetyczne cząstki będące kwantami pola grawitacyjnego – mają masę. Pierwszy pomiar z LIGO już pozwolił na ustanowienie górnej granicy takiej masy na poziomie 10-21 elektronowoltów – miliard miliardów miliardów razy mniej niż masa elektronu. Ukazuje to jeszcze raz niebywałą precyzję tej obserwacji. A najbliższe lata przyniosą poprawę o kilka rzędów wielkości.

Kolejną fascynującą dziedziną, która z pewnością rozkwitnie dzięki falom grawitacyjnym, jest fizyka czarnych dziur. Te tajemnicze obiekty powstają, kiedy w starych masywnych gwiazdach kończy się paliwo jądrowe i zaczynają się one zapadać pod własnym ciężarem. Stadium końcowym tego grawitacyjnego kolapsu jest rotujący obiekt, którego siła przyciągania jest tak mocna, że złapana przezeń materia, a nawet światło, nie są już w stanie uciec. Na dodatek wewnątrz czarnej dziury czai się tajemnicza osobliwość – miejsce w czasoprzestrzeni, w którym pole grawitacyjne jest nieskończone, a teoria Einsteina się załamuje. Choć o istnieniu takich obiektów hipotetyzowano już pod koniec XVIII wieku, do lat 60. ubiegłego stulecia uważane były za teoretyczne kuriozum. Jednak od 50 lat obserwacje astrofizyczne dostarczają coraz to nowych dowodów na to, że czarne dziury istnieją. LIGO dołożyło kolejny element układanki, rejestrując ślad kolizji dwóch takich masywnych obiektów.

Pomiary fal grawitacyjnych, połączone z obserwacjami z klasycznych teleskopów, pozwolą nam lepiej zrozumieć właściwości tych tajemniczych obiektów. Ścisłe twierdzenia ogólnej teorii względności mówią, że czarne dziury są charakteryzowane tylko trzema wielkościami: całkowitą masą, szybkością obrotu oraz ładunkiem (zerowym, gdyż gwiazdy, z których czarne dziury powstają, są elektrycznie obojętne). Ewentualne odstępstwo od tej reguły można by zaobserwować właśnie dzięki falom grawitacyjnym powstającym w procesie śmierci gwiazd oraz w zderzeniach czarnych dziur. Obserwacje zmarszczek czasoprzestrzennych dadzą nam również wgląd w sam proces kolapsu grawitacyjnego. Masywne gwiazdy, zanim ostatecznie się zapadną, przechodzą przez stadium tzw. supernowej, wytwarzając intensywny błysk trwający do kilku miesięcy. Supernowe są bardzo ważnymi obiektami dla astrofizyków, i to ich obserwacja pozwoliła na odkrycie przyspieszonej ekspansji Wszechświata (Nagroda Nobla w 2011 r.). Detekcja fal grawitacyjnych, uzupełniona obserwacjami za pomocą „tradycyjnych” teleskopów, pozwoli więc nie tylko zweryfikować różne modele procesu śmierci gwiazdowej, ale również odpowiedzieć na pytania kosmologiczne.

Zajrzeć w początki

Kwestia tempa ekspansji Wszechświata i związanego z nią problemu tzw. stałej kosmologicznej to zaledwie cząstka wszystkich zagadek kosmosu, które będziemy mogli lepiej zrozumieć dzięki obserwacji fal grawitacyjnych. Te ostatnie bowiem, w przeciwieństwie do promieniowania elektromagnetycznego, pozwalają zajrzeć do najstarszych zakątków Wszechświata i odkrywać naturę jego stadium niemowlęcego. Prawdopodobnie udzielą nam one odpowiedzi, czy faktycznie miała miejsce tzw. faza inflacyjna – gdy bardzo młody Wszechświat miałby się dramatycznie szybko rozszerzać [por. „Odkrycie obrócone w pył”, „TP” 41/2015].

Najbardziej fascynujące są jednak te odkrycia, których nie jesteśmy w stanie nawet antycypować. Kip Thorne nie ma żadnych wątpliwości, że takowe będą. Wystarczy spojrzeć, jak wielką rewolucję przeżyła nie tylko fizyka, ale i cała cywilizacja, po odkryciu fal radiowych czy promieniowania rentgenowskiego. Fale grawitacyjne dają nam całe pasmo częstotliwości i nowych możliwości. Do tego dołóżmy astrofizykę neutrin, która – choć jeszcze w powijakach – zaczyna się intensywnie rozwijać, i ukaże nam się krajobraz Wszechświata, o jakim nie śniło się filozofom. ©

MICHAŁ ECKSTEIN jest matematykiem i fizykiem, pracownikiem UJ. Członek Centrum Kopernika Badań Interdyscyplinarnych.

INTERFEROMETR w LIGO składa się z dwóch prostopadłych ramion, metalowych rur o długości 4 km, wewnątrz których, w doskonałej próżni, przebiegają tam i z powrotem – między lustrami – wiązki laserowe. W „normalnych” warunkach zachodzi zjawisko tzw. destruktywnej interferencji, gdy wiązki nakładają się tak, że się wygaszają. Ale gdy przez LIGO przechodzi fala grawitacyjna, na ułamek sekundy ramiona zmieniają długość – jedno się wydłuża, a drugie skraca. Dzięki temu wiązki laserowe „interferują konstruktywnie”, czyli wzmacniają się, dając sygnał w fotodetektorze.