Fale grawitacyjne - echo kosmicznego kataklizmu

Marcin JAKUBOWSKI

Fizyk w Instytucie Fizyki Maxa Plancka w Greifswaldzie zamujący się badaniami nad syntezą termojądrową. Ukończył studia na Wydziale Matematyki, Fizyki i Informatyki Uniwersytetu Opolskiego, doktoryzował na Uniwersytecie w Bochum prowadząc jednocześnie badania w Forschungszentrum Jülich. Pracował w kilku największych ośrodkach zajmujących się badaniami nad syntezą termojądrową, m.in. w General Atomics w San Diego i National Institute for Fusion Science w Japonii, gdzie wielokrotnie był profesorem wizytującym. Na Twitterze zainicjował stream #PięknoNauki.

Ryc.: Fabien Clairefond

zobacz inne teksty autora

Ponad 100 lat temu Albert Einstein ogłosił, że grawitacja to efekt zakrzywienia czasoprzestrzeni, która na masę reaguje podobnie jak naciągnięta gumowa membrana, gdy upuścimy na nią metalową kulkę. Powstałe zakrzywienie sprawia, że inne ciała umieszczone na tej membranie zaczynają zsuwać się w kierunku metalowej kulki. Słońce swoją olbrzymią masą tak mocno zakrzywia czasoprzestrzeń, że przyciąga obiekty oddalone od niego ponad 100 razy bardziej niż Ziemia. To jednak nic w porównaniu z czarnymi dziurami, które zakrzywiają czasoprzestrzeń tak bardzo, że nawet światło nie jest w stanie uciec z ich wnętrza (stąd ich nazwa).

Co w takim razie wynikłoby ze zderzenia dwóch czarnych dziur? Oto kilka liczb. Choć każda z czarnych dziur ma masę kilkudziesięciu mas słonecznych, razem zajmują obszar o średnicy 150 km i wirują wokół siebie z prędkościami bliskimi połowie prędkości światła, okrążając się nawzajem kilka razy na sekundę. W momencie połączenia, przez ułamek sekundy, czarne dziury emitują niewyobrażalną ilość energii w postaci fal grawitacyjnych. Energia ta po przeliczeniu na masę (zgodnie ze słynnym równaniem Einsteina E=mc2) równoważna jest potrojonej masie Słońca!

Taka erupcja powoduje potężne zaburzenie zwykle gładkiej czasoprzestrzeni, które rozchodzi się w postaci fal grawitacyjnych — zmarszczek. Fale grawitacyjne — podobnie jak fale powstałe na powierzchni wody, gdy wrzucimy do niej kamień, lub drgania na napiętej membranie — rozejdą się we wszystkich kierunkach. Także w kierunku Ziemi.

Fala grawitacyjna tworzona przez dwie czarne dziury.

Fala grawitacyjna tworzona przez dwie czarne dziury krążące wokół siebie. Przypadkowy obserwator, który znalazł się w pobliżu i jakimś cudem przeżył, straciłby całkowicie orientację: upływ czasu i odległości zmieniałyby się w zawrotnym tempie. Źródło: Wikipedia

.Ponad miliard lat świetlnych od miejsca tej kosmicznej katastrofy znajduje się obserwatorium LIGO. Całkowity koszt projektu to około miliard dolarów. Tyle trzeba, by zbudować dwa potężne interferometry oddalone od siebie o 3 tys. kilometrów. Każdy zbudowany jest z dwóch długich na 4 kilometry ramion tworzących kształt litery L. Wewnątrz tuneli światło laserowe przemierza kilometry, odbijając się od nieprawdopodobnie precyzyjnie umieszczonych luster. Dzięki temu światło lasera jest w stanie zmierzyć poruszenie się lustra na odcinku 0,0000000000000000001 m, czyli jednej miliardowej średnicy atomu wodoru. Zgodnie z teorią Einsteina przenikająca przez LIGO fala grawitacyjna zmieni odległość między lustrami o mniej więcej taki dystans.

To nieprawdopodobna zuchwałość — zbudować tak wielki „instrument”, który ignorując wszystkie inne przyczyny wstrząsów (np. sejsmiczne), będzie w stanie wykryć to infinitezymalnie małe zakrzywienie czasoprzestrzeni, co pozwoli nam badać kosmos jak nigdy dotąd. Całość jest tak czuła, że potrafi zarejestrować „wstrząs” spowodowany klaśnięciem rąk w centrum sterowania eksperymentem. Naukowcy, by wyeliminować wpływ wszystkich przypadkowych źródeł, które mogłyby zagłuszyć LIGO, musieli wybudować bodajże najbardziej skomplikowaną aparaturę, jaką kiedykolwiek stworzył człowiek.

Schemat prezentujący w bardzo dużym uproszczeniu zasadę działania interferometru LIGO.

Schemat prezentujący w bardzo dużym uproszczeniu zasadę działania interferometru LIGO. Wiązka laserowa (czyli fala świetlna emitowana przez laser) po przejściu przez lustro półprzepuszczalne zostaje rozdzielona na dwie części, które zostaną odbite przez lustro 1lustro 2. Po ponownym trafieniu na lustro półprzepuszczalne wiązki nałożą się. Jako, że odległość obu luster od detektora jest identyczna, grzbiety fal świetlnych nałożą się, co detektor odnotuje jako brak fali grawitacyjnej. Ilustracja: WCN/MWJ

Gdy przez interferometr LIGO

Gdy przez interferometr LIGO przejdzie fala grawitacyjna tak jak na ilustracji – odległość lustra 1 od detektora ulegnie zmianie i fale świetlne nie nałożą się już grzbietami – wynik tzw. interferencji będzie już inny i detektor zarejestruje obecność fali grawitacyjnej! Żeby uniezależnić się całkowicie od drgań spowodowanych innymi czynnikami naukowcy zbudowali dwa takie interferometry, które są oddalone od siebie o 3 tys. km. Ilustracja: WCN/MWJ

 

.W zeszłym tygodniu naukowcy pracujący przy projekcie LIGO (ponad tysiąc osób z ponad setki instytucji z całego świata, w tym i z Polski) ogłosili, że obydwa interferometry niezależnie zarejestrowały falę grawitacyjną, która potrzebowała 1,3 miliarda lat, by dotrzeć do Ziemi z miejsca, gdzie zderzyły się ze sobą dwie czarne dziury. Eksplozja, która przez ułamek sekundy wytworzyła moc 50 razy większą od tej, którą wytwarza cały widzialny wszechświat, sprawiła, że na Ziemi wspomniane lustra zostały wprawione w drgania — tj. zmieniły swoje położenie względem siebie o ułamek średnicy jądra atomowego.

Mimo że to niewyobrażalnie mała odległość, jest to jedno z najważniejszych odkryć tego stulecia, zasługujące na Nagrodę Nobla. Choćby dlatego, że dzięki niemu udało nam się w końcu potwierdzić, że czarne dziury istnieją naprawdę oraz że zdarza im się zderzać ze sobą, z czego wynika bodaj najgwałtowniejsza kolizja kosmiczna, jaką potrafimy sobie wyobrazić. Dzięki odkryciu zespołu LIGO będziemy mogli opracować nowe metody badania kosmosu — astronomię grawitacyjną. Do tej pory badaliśmy kosmos z wykorzystaniem fal elektromagnetycznych — teraz będziemy mogli zajrzeć tam, gdzie w naszych obserwacjach jeszcze nigdy nie udało nam się dotrzeć.

.Dzięki falom grawitacyjnym, których istnienie Albert Einstein przewidział 100 lat temu, będziemy mogli obejrzeć dokładniej czarne dziury, a być może odkryjemy też inne egzotyczne byty naszego wszechświata.

Marcin Jakubowski

Materiał chroniony prawem autorskim - wszelkie prawa zastrzeżone.
Dalsze rozpowszechnianie artykułu tylko za zgodą wydawcy.

Chcę otrzymywać powiadomienia o najnowszych tekstach.

Autorzy wszyscy autorzy

A B C D E F G H I J K L M N O P R S T U W Y Z
Przejdź do paska narzędzi