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. Nagroda Nobla z fizyki w 2017 roku trafia w naprawdę dobre ręce – pisze Marcin JAKUBOWSKI
.Nagroda Nobla z fizyki 2017 została przyznana za bardzo świeże odkrycie — fale grawitacyjne zostały zmierzone po raz pierwszy przez detektor LIGO zaledwie dwa lata temu. Nagroda przypadła trzem amerykańskim uczonym: Rainerowi Weissowi, Barry’emu Barishowi i Kipowi Thorne’owi. Połowa z 9 milionów szwedzkich koron przypadła Weissowi, resztę między siebie podzielili Barish i Thorne.
Rainer Weiss już w połowie lat 70. pracował nad detektorem, który mógłby zmierzyć fale grawitacyjne, analizował też zakłócenia, które utrudniają pomiary. Już wtedy, 40 lat temu, Kip Thorne (prywatnie przyjaciel Stephena Hawkinga) i Rainer Weiss byli święcie przekonani, że taki projekt jak LIGO będzie mógł zmierzyć fale grawitacyjne. Barry C. Barish sprawił, że projekt, który trwał ponad 4 dekady, zakończył się sukcesem.
Cała historia zaczęła się jednak już ponad 100 lat temu. Albert Einstein, pracując nad ogólną teorią względności, 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 krążące wokół siebie. Przypadkowy obserwator, który znalazłby 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 wynosi około miliarda dolarów. Tyle trzeba, by zbudować dwa potężne interferometry oddalone od siebie o 3 tys. kilometrów. Budowa obserwatoriów trwała ponad 40 lat. 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. Wiązka laserowa (czyli fala świetlna emitowana przez laser) po przejściu przez lustro półprzepuszczalne zostaje rozdzielona na dwie części, które zostaną odbite przez lustro 1 i lustro 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 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
Ilustracja: Zarejestrowana przez LIGO fala grawitacyjna. Źródło: Johan Jarnestad/Szwedzka Królewska Akademia Nauk
.Po raz pierwszy fale grawitacyjne zarejestrowano we wrześniu 2015 roku. 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. Jak powiedziała Olga Botner z Uniwersytetu w Uppsali, a zarazem członkini komitetu noblowskiego: „To odkrycie, pierwsza w historii obserwacja fal grawitacyjnych, jest kamieniem milowym otwierającym nowe okno na wszechświat. Einstein oczywiście znów miał rację, a nagroda idzie do liderów projektu, którego odkrycie wstrząsnęło światem”.
Sam Weiss w reakcji na informację o nagrodzie zareagował dość skromnie: „To naprawdę cudownie, ale sam widzę to jako uznanie dla około tysiąca osób, które przyczyniły się do odkrycia, i ich pracy przez ponad 40 lat”,
To dzięki cierpliwej pracy naukowców pracujących w zespole Barisha i wizjonerskim pomysłom Weissa i Thorne’a udało 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. W przyszłości dzięki odkryciu zespołu LIGO będziemy mogli opracować nowe metody badania kosmosu — astronomię grawitacyjną.
.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. Nagroda Nobla z fizyki w 2017 roku trafia w naprawdę dobre ręce.
Marcin Jakubowski
