Fale grawitacyjne to już nie tylko teoria - mamy ostateczny dowód na ich istnienie

Istnienie fal grawitacyjnych, czyli niewielkich zmarszczek czasoprzestrzeni, tworzonych przez przyśpieszającą masę, postulował w swojej Ogólnej Teorii Względności Albert Einstein. Przez dziesiątki lat umykały one bezpośrednim obserwacjom, mieliśmy tylko pośrednie dowody. W końcu zespół naukowców z Caltech, MIT oraz LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) zaobserwował spodziewany efekt, w postaci zmian częstotliwości wiązki światła laserowego.

To pierwsza bezpośrednia obserwacja fal grawitacyjnych, możliwa dzięki skonstruowaniu najprecyzyjniejszej miarki na świecie. Odkrycie potwierdził europejski projekt Virgo, w którego prace zaangażowani są polscy naukowcy.

Biorąc pod uwagę nasze dążenie do zrozumienia Wszechświata, to wydarzenie bardzo oczekiwane. Pomocne między innymi w dalszym rozgryzaniu zagadki, jaką nadal jest historia Kosmosu. Także ta najwcześniejsza, gdy Wszechświat miał istniał od mniej niż 10^-12 sekundy

Jak to się zaczęło

Istnienie fal grawitacyjnych przewidział w 1916 roku Albert Einstein. Podobnie jak wiele innych teorii Einsteina oraz wniosków z nich płynących, fale grawitacyjne przez wiele lat pozostawały w sferze domysłów. Nawet sam Einstein nie był pewien, czy jego propozycja jest słuszna.

Masa zakrzywia czasoprzestrzeń - od tego zawsze się zaczyna

W drugiej połowie XX. wieku naukowcy zabrali się na poważnie do poszukiwań fal grawitacyjnych, a raczej efektów przez nie wywołanych.

Do czegóż można je porównać? Fale grawitacyjne to zaburzenia czasoprzestrzeni o charakterze falowym. W naszym świecie, taką falę można porównać do fali wywołanej przez wpadający do wody na brzegu jeziora kamień. Jeśli na powierzchni wody znajdują się inne obiekty, na przykład liść, wywołane przez wpadający kamień fale zaburzą jego położenie.

Problem w tym, że fale grawitacyjne, które docierają do nas są bardzo słabe. Wyobraźcie sobie falę, którą wytworzył wspomniany kamień, ale obserwowaną na przeciwległym brzegu. Liść będzie dla nas nieruchomy. Przemieszczenie się materii wywołane przez fale grawitacyjne jest jeszcze trudniejsze do wykrycia.

Tak fale grawitacyjne wpływają na położenie Ziemi - skala efektu wyolbrzymiona

To właśnie dlatego nie udawało się wykryć fal grawitacyjnych przez wiele lat. Aparatura miała zbyt małą czułość by je zarejestrować. Mimo iż fale grawitacyjne powstają w wyniku dramatycznych zjawisk w kosmosie, gdy w grę wchodzą kolosalne energie.

Skąd biorą się fale grawitacyjne

Efekt jaki wywołuje fala grawitacyjna objawia się w zmieniającej się odległości pomiędzy obiektami. Zmiana nie wynika z ich wzajemnego ruchu, ale jest efektem przejścia fali grawitacyjnej, która raz rozszerza czasoprzestrzeń raz ją ściska. Dlatego też mówi się o falach, a nie oscylacjach grawitacyjnych, gdyż te zaburzenia, określane jako zmarszczki czasoprzestrzeni, rozchodzą się w przestrzeni.

Źródłem fali grawitacyjnej może być mała masa, nawet człowiek, który kręci się na karuzeli, ale dopiero duża w skali kosmicznej masa, da fale tak silne, byśmy mogli je wykryć.

Najlepsze źródło to zatem masywny obiekt, który obiega inny, nie mniej masywny. Mogą to być podwójne czarne dziury, podwójne gwiazdy neutronowe, a także podwójne układy z białymi karłami. W każdym z tych przypadków mamy obiekty o masach porównywalnych, a nawet znacznie przekraczających masę Słońca.

Okrążające się obiekty emitują fale grawitacyjne, układ traci energię, obiekty coraz bardziej się zbliżają, co napędza cały proces, w efekcie czego odległość pomiędzy dwoma obiektami jeszcze bardziej się zmniejsza, a częstotliwość i amplituda fal grawitacyjnych rośnie. Taki proces prowadzi ostatecznie do zderzenia i zlania się dwóch obiektów. Impuls falowy osiąga maksimum, a potem nastaje spokój.

Teoria teorią, katalizatorem dla badań byłby dowód na istnienie takich podwójnych obiektów. Szczęśliwie w 1974 roku Joseph Taylor i Russell Hulse odkryli podwójny pulsar (pulsar to gwiazda neutronowa, która emituje periodycznie silną wiązkę promieniowania elektromagnetycznego). W 1982 roku potwierdzili zacieśnianie się orbity obu pulsarów, co ostatecznie przekonało niedowiarków o słuszności badań.

W 1993 roku, wspomniani panowie otrzymali Nobla, a niespełna dwa lata później rozpoczęto budowę detektorów LIGO.

Jak zaobserwować falę grawitacyjną

Skoro wiemy już skąd biorą się fale grawitacyjne, wystarczyłoby skierować w odpowiednim kierunku teleskop i gotowe. Zaraz, zaraz, jaki teleskop, fale grawitacyjne w skali, w której rozpatrujemy problem nie możemy traktować jak fale elektromagnetyczne. Potrzebne będzie zatem urządzenie, które zarejestruje efekt jaki wywoła przemieszczająca się w okolicy Ziemi zmarszczka czasoprzestrzeni.

Istnieją dwa podstawowe typy detektorów. Pierwszy, detektor oscylacyjny, jak sugeruje nazwa, zakłada obserwacje położenia testowej masy. Przejście fal grawitacyjnych wywoła zmianę położenia, która po wzmocnieniu będzie mogła być wykryta.

Drugi typ detektorów, najczęściej przywoływany podczas lekcji fizyki, to detektory interferometryczne (powyżej wyjaśnienie działania na przykładzie LIGO). Tutaj również konieczne jest wzmocnienie sygnału, ale zasada jest inna. Mamy dwie wiązki laserowe o przeciwnych fazach, które poruszają się w długich tunelach, w których panuje próżnia, odbijają od ich końca, a następnie powracają do detektora i podlegają tam interferencji (mówiąc potocznie złożeniu). Długość tuneli dobrana jest tak, by interferencja doprowadziła do wygaszenia fal. Fale grawitacyjne mogą jednak zmienić długość ramion detektora.

W efekcie fale, które będą podlegały interferencji nie będą miały dokładnie przeciwnej fazy, na dodatek nie będzie ona jedynie przesunięta, zmieni się też częstotliwość sygnału. W efekcie uzyskany zostanie niezerowy sygnał - dowód, że pojawiła się fala grawitacyjna.

​

Detektory LIGO

Tego drugiego typu detektorem jest właśnie LIGO. Całość widziana z powietrza przypomina literę V z prostopadle umieszczonymi ramionami o długości prawie 4 kilometrów każde.

Konieczna niesłychana precyzja pomiarów

Astrofizycy doskonale wiedzą, że wykonanie obserwacji, która jest w minimalnym stopniu obciążona błędem pomiaru to klucz do sukcesu. W przypadku fal grawitacyjnych najmniejszy błąd sprawi, że stracimy szansę pomyślnej detekcji. Dlatego detektory LIGO uczyniono niesamowicie czułymi.

Wymagało to wyeliminowania wszelkich źródeł zakłóceń innych niż oczekiwane, w tym dokładnego odizolowania aparatury od zakłóceń sejsmicznych, uwzględnienia krzywizny Ziemi i zminimalizowaniu do granic możliwości szumów wprowadzanych przez aparaturę generującą i rejestrującą sygnał. Trzeba było też wziąć pod uwagę niedoskonałości próżni w tunelach i zniekształcenia sygnału przy jego przejściu przez optykę.

W efekcie zmiany długości ramion detektora, które może wykryć LIGO wynoszą około 1/1000 średnicy protonu. Proton ma średnicę 2x10^-14 m, a ramię, przypomnę, 4 kilometry długości. Einsteinowska precyzja.

Zakłócenia, które wykrywa LIGO trwają od 0,1 do 100 ms. LISA będzie w stanie wykryć zakłócenia o okresie od minut do godzin. Z kolei obserwacje pulsarów milisekundowych prowadzone przez radioteleskopy dają nam bazę nawet dziesiątek lat.

Detektory fal grawitacyjnych na świecie - nasi też pomagają

LIGO, który ma dwa detektory - w Luizjanie i stanie Waszyngton, plus jeden planowany w Indiach, nie jest jedynym zespołem, który prowadzi badania, bo już nie tylko poszukiwania, fal grawitacyjnych. LIGO współpracuje z Virgo, które w tym roku planuje uruchomić w pobliżu Pizy własny detektor, z ramionami o długości 3 km. W projekt VIRGO zaangażowanych jest 250 naukowców z 19 krajów, w tym 15-osobowa grupa POLGRAW z Polski.

We Włoszech funkcjonują również detektory oscylacyjne NAUTILUS, AURIGA oraz EXPLORER, a w pobliżu Hanoweru interferometr GEO 600. Również Japończycy mają swój detektor TAMA 300, a raczej prototyp większej jednostki KAGRA, która ruszy w najbliższych latach.

Planowane są również misje kosmiczne, lecz ich losy toczą się bardzo powoli. Misja LISA (eLISA) zaplanowana przez ESA, dopiero w 2034 roku wejdzie w główną fazę realizacji. Obecnie trwa faza testowa. To jednak nie problem, bo mamy…

Sukces LIGO, Virgo i Polaków

Przecieki o sukcesie obserwacyjnym pojawiły się już jesienią ubiegłego roku. Zespół LIGO był jednak cierpliwy i dopiero gdy miał pewność, zdecydował się oficjalnie ogłosić odkrycie. Stało się to możliwe dzięki wsparciu zespołu Virgo i grupy naszych naukowców, która analizuje dane obserwacyjne z detektorów Virgo i LIGO.

Sukces to konsekwencja wytrwałości i cierpliwości. Pierwsza faza LIGO, trwająca od 2002 do 2010 roku, nie przyniosła efektów. Druga faza wystartowała w 2015 roku i już na samym początku 14. września pojawił się wyczekiwany sygnał. Wykryły go oba detektory w odstępie 7 ms. Obserwacje trwały do 12 stycznia i nie wszystkie dane jeszcze przeanalizowano.

Sygnały z obu detektorów i ich porównanie 

Sygnał pochodzi z odległego o 1,3 miliarda lat świetlnych układu dwóch czarnych dziur, z których każda miała masę około 30 razy większą niż Słońce. W momencie zderzenia, zlewając się, wyemitowały bardzo silne fale grawitacyjne unoszące sporą część energii, a zarazem masy nowopowstałej pojedynczej czarnej dziury. To właśnie echo ostatnich chwil tego wydarzenia, z przeszłości i odległej galaktyki, zaobserwowały detektory LIGO.

Dokładne okreslenie położenia źródła fal nie jest możliwe - mamy jednak najbardziej prawdopodobny kierunak skąd przybyły fale

Czułość obecnej generacji detektorów LIGO jest 3 razy większa niż poprzedniej. Jej zwiększenie może przynieść jeszcze więcej pozytywnych sygnałów. Docelowo wzrośnie ona o rząd wielkości (10 razy).

Fale grawitacyjne - co nam dadzą ich obserwacje?

Naukowcy bardzo się cieszą, ogłoszenie faktu zaobserwowania fal grawitacyjnych podano do wiadomości publicznej podczas wielu konferencji na całym świecie. Ponieważ pomiędzy falami grawitacyjnymi, a falami dźwiękowymi jest pewna analogia, zaobserwowany sygnał został przetworzony na dźwięk i mogliśmy go usłyszeć. Z kosmicznej perspektywy to arcydzieło.

Co jednak da nam ta wiedza? Do czego zaprowadzi? Przede wszystkim, obserwacja fal grawitacyjnych to dowód na to, że sposób opisu Wszechświata zaproponowany przez Einsteina jest słuszny. To również jeden z najlepszych dowodów na istnienie czarnych dziur i narzędzie do badania ich struktury. A także wnętrz gwiazd neutronowych i wszelkiej niewidzialnej, ale posiadającej masę materii.

Z perspektywy amerykańskiego podatnika to satysfakcja, że jednak ten ponad miliard dolarów nie poszedł jedynie na pensje dla 1000 osób w zespole LIGO. Ale nie tylko - technologie opracowane podczas realizacji projektu, znalazły zastosowanie w przemyśle półprzewodnikowym, precyzyjnych technologiach pomiarowych, przemyśle optycznym i badaniach sejsmologicznych.

Obserwacje pierwotnych fal grawitacyjnych, wyemitowanych w początkach Wszechświata, pomogłyby nam również zajrzeć w tak odległą przeszłość Wszechświata jak okres inflacji. Tu jednak konieczne byłyby jeszcze czulsze detektory. Podobny cel przyświeca badaczom mikrofalowego promieniowania tła, jednak pierwsze doniesienia zajmującego się tym zespołu okazały się ostatecznie obarczone zbyt dużym błędem.

W przypadku LIGO szanse pomyłki są tak małe, że mamy pewność - fale grawitacyjne da się zaobserwować.

Źródło: Caltech, MIT, LIGO, inf. własna