“Panie i Panowie! Zaobserwowaliśmy fale grawitacyjne. Udało się!” - tymi słowami przedwczoraj David Reitze, główny badacz eksperymentu LIGO rozpoczął konferencję prasową, podczas której przedstawił informacje, które w ciągu kolejnych 24 godzin tysiące razy były powtarzane przez wszystkie główne serwisy informacyjne na świecie. Ale kto tak naprawdę spoza świata fizyków i astronomów zrozumiał co tak właściwie zaobserwowano?
Autorem wpisu jest Radek Kosarzycki.
Podczas konferencji zorganizowanej przez National Science Foundation ogłoszono, że 14 września 2015 roku zaobserwowano falę grawitacyjną wyemitowaną przez zderzenie dwóch czarnych dziur. Do zderzenia doszło około 1 300 000 000 lat świetlnych od Ziemi - co w skrócie oznacza, że wyemitowana fala grawitacyjna potrzebowała tyle czasu, aby do nas dotrzeć podróżując w przestrzeni kosmicznej z prędkością światła. Zderzające się ze sobą czarne dziury miały masę 29 i 36 razy większą od Słońca, a każda z nich miała średnicę około 150 kilometrów (dla porównania średnica Słońca wynosi ponad 1 300 000 km). Cały sygnał fali grawitacyjnej trwał zaledwie 0,12 s. Około trzech mas Słońca zostało w ułamku sekundy przekształcone w falę grawitacyjną. Rzeczona fala została zarejestrowana przez dwa interferometry LIGO (które rozpoczęły testy zaledwie dwa dni wcześniej). Fakt, że falę zaobserwowano w obu interferometrach oddalonych od siebie o tysiące kilometrów tylko wzmacnia dowód na właściwość interpretacji.
Wszystko fajnie - przecież to brzmi jak co najmniej Interstellar, prawda? No i w sumie dobrze, głównym ekspertem od czarnych dziur, z którym konsultowali się twórcy filmu był Kip Thorne - ten sam Kip Thorne, który odpowiadał na większość pytań podczas konferencji kilka dni temu.
Jak zapewne wszyscy słyszeliście jest to “zmarszczka” czasoprzestrzeni. Nie jest to jednak zbyt intuicyjne określenie i tak naprawdę niewiele mówi. Można by oczywiście podawać jakieś kosmiczne przykłady z hipotetycznymi obiektami oddalonymi od siebie o X kilometrów, ale w rzeczywistości chyba najłatwiej jest to przedstawić na przykładzie samego interferometru LIGO, który odpowiedzialny jest za odkrycie fal grawitacyjnych 14 września ubiegłego roku.
Interferometr składa się z dwóch tuneli o długości 4 kilometrów każdy, ustawionych prostopadle do siebie. W miejscu ich złączenia znajduje się źródło światła (laserowego) oraz detektor. Na końcach tuneli znajdują się lustra, które odbijają wiązkę laserową wyemitowaną przez źródło i kierują ją do detektora. Owe lustra na końcach tuneli zostały zawieszone w bardzo precyzyjnie zmierzonej odległości od źródła światła. Jeżeli teraz włączymy źródło światła, wiązka podróżująca z prędkością światła odbije się od lustra i wróci do detektora. Z racji tego, że odległość źródło-lustro-detektor jest stała, prędkość światła jest stała, detektor będzie rejestrował wiązkę po takim samym odstępie czasu od momentu jej wyemitowania.
To teraz do Ziemi dociera fala grawitacyjna i robi się ciekawie. Owa zmarszczka w czasoprzestrzeni sprawia, że bardzo nieznacznie przestrzeń się ugina. Jeżeli ściska się w pionie, to rozpręża się w poziomie. I tak się dzieje z przestrzenią, a tym samym z Ziemią i z interferometrem. Jeżeli taka fala przejdzie przez interferometr, to w tym jednym momencie odległość źródło-lustro-detektor się zmieni (albo się wydłuży, albo skróci). Wiązka laserowa odbije się albo nieznacznie później, albo nieznacznie wcześniej niż normalnie, a tym samym dotrze do detektora wiązki za wcześnie lub za późno. To jest bezpośredni dowód przejścia fali grawitacyjnej.
Co ciekawe, jeden z interferometrów znajduje się w stanie Waszyngton, na północnym wschodzie USA, a drugi w Luizjanie na południowym wschodzie. W momencie detekcji fali grawitacyjnej owo zaburzenie czasoprzestrzeni zostało zarejestrowane w obu interferometrach w odstępie zaledwie 7 milisekund, co pozwala nam z grubsza określić, że fala grawitacyjna przybyła do nas ze źródła znajdującego się gdzieś na południowym niebie.
Trzeba jednak tutaj pamiętać o jakiego rzędu wielkości zniekształceń mówimy. Jeżeli nasz interferometr miałby 300 000 000 kilometrów średnicy (średnica orbity Ziemi wokół Słońca) to zniekształcenie spowodowane przez falę grawitacyjną byłoby rzędu średnicy atomu wodoru.
I na tym polega wyjątkowość tej detekcji. Nie na odkryciu fali - bo fale grawitacyjne przewidział Albert Einstein w 1915 roku w swojej Ogólnej Teorii Względności - a na tym, że udało się stworzyć technologię pozwalającą na wykonywanie tak niewiarygodnie dokładnych pomiarów. Szczególnie zważając na szumy, które należało wyeliminować. Przy takiej dokładności pomiaru sygnał fali grawitacyjnej może zniknąć w szumie sejsmicznym, szumie powodowanym przez przelatujący w pobliżu detektora samolot czy przejeżdżający samochód. Wszystko wokół co może spowodować powstanie wibracji skutecznie zagłusza tak delikatne sygnały jak fala grawitacyjna. Dlatego też każde z potencjalnych źródeł zakłóceń także było monitorowane, aby potem można było odsiać ten właściwy jeden sygnał. Aktualnie LIGO jest w stanie wykryć zmianę długości ramienia detektora mniejszą od…. 0,0001 średnicy protonu. To nie wymaga komentarza.
Zgodnie z Ogólną Teorią Względności opublikowaną przez Einsteina 100 lat i 4 miesiące temu, dwie czarne dziury krążące wokół siebie stopniowo tracą energię wskutek emisji fal grawitacyjnych. Skoro tracą energię to się do siebie zbliżają przez miliardy lat znacząco przyspieszając w ostatnich minutach. W ułamku sekundy przy prędkościach sięgających połowy prędkości światła (150 000 km/s!) obie czarne dziury zlewają się w jedną większą przekształcając część swojej masy w energię (zgodnie ze słynnym równaniem E=mc^2). Ta energia zostaje wyemitowana właśnie w postaci ostatniej, silnej fali grawitacyjnej. To właśnie tych fal nasłuchuje LIGO.
To otwarcie całkowicie nowego obszaru badań. 14 września 2015 roku pierwszą detekcją rozpoczęła się era astronomii fal grawitacyjnych. To całkowicie nowa dziedzina, która pozwoli nam na obserwowanie i badanie zjawisk dotychczas niedostępnych takich jak zderzenia dwóch czarnych dziur, zderzenia gwiazd neutronowych, procesy zachodzące we wnętrzach supernowych i…. I to chyba najciekawsze - wszystko to, czego dzisiaj nawet nie przypuszczamy. Historia mówi, że za każdym razem kiedy otwieraliśmy nowe okno na wszechświat, kiedy powstawała astronomia podczerwona, astronomia rentgenowska to mieliśmy jakieś oczekiwania co do tego co uda się zaobserwować i za każdym razem odkrywaliśmy także zjawiska, których istnienia nikt nie przypuszczał. Jestem pewien, że tak samo będzie z astronomią fal grawitacyjnych.
Tutaj historia staje się jeszcze ciekawsza. Potencjał na rozwój detektorów fal grawitacyjnych jest bardzo duży. Warto zauważyć, że pierwsza zarejestrowana przez LIGO fala grawitacyjna została odkryta… jeszcze w fazie testów interferometru! Zaledwie dwa dni po rozpoczęciu testów. Właściwe obserwacje naukowe były dopiero planowane. Co za zbieg okoliczności! Ta konkretna fala grawitacyjna podróżowała przez przestrzeń kosmiczną ponad miliard lat i dotarła do Ziemi dokładnie dwa dni po uruchomieniu urządzenia, które było w stanie ją wykryć. Ale to dopiero początek - niedługo do prac włączy się także europejski interferometr VIRGO. Trwają także rozmowy z naukowcami z Indii, którzy także budują swój interferometr.
Każdy kolejny element pozwoli zwiększyć czułość pomiarów oraz dokładność lokalizowania źródła sygnału. A to tylko obserwatoria naziemne. Naukowcy na nich nie zamierzają poprzestać. Planowana misja eLISA (extended Las Interferometer Space Antenna) zakłada wysłanie w przestrzeń kosmiczną trzech satelitów, które następnie zostaną umieszczone na orbicie okołosłonecznej w formacji o kształcie trójkąta równobocznego. Każdy bok tego trójkąta będzie miał długość 1 miliona kilometrów. W pierwszych dniach grudnia ubiegłego roku wystrzelono w przestrzeń kosmiczną satelitę LISA Pathfinder, którego zadaniem jest zademonstrowanie technologii pozwalającej na kontrolowanie położenia satelity z Ziemi z wymaganą precyzją. To pierwszy krok do zrealizowania projektu eLISA. Jak widać - jeszcze dużo przed nami.
Radek Kosarzycki - wieczny student, popularyzator astronomii i wiedzy o eksploracji Układu Słonecznego w mowie i piśmie, założyciel portalu Puls Kosmosu, gdzie codziennie dostarcza aktualności ze świata księżyców, planet, gwiazd i galaktyk.
Hej, jesteśmy na Google News - Obserwuj to, co ważne w techu
