Oficjalny dzień odkrycia (wykrycia) fal grawitacyjnych to 11 lutego 2016 r. To właśnie wtedy, na konferencji prasowej w Waszyngtonie, liderzy współpracy LIGO ogłosili, że zespołowi badaczy udało się po raz pierwszy w historii ludzkości zarejestrować to zjawisko.
Proroctwa wielkiego Einsteina
Nawet na początku ubiegłego wieku (1916) Albert Einstein zasugerował, że fale grawitacyjne istnieją w ramach sformułowanej przez niego Ogólnej Teorii Względności (GR). Można jedynie podziwiać genialne zdolności słynnego fizyka, który przy minimum prawdziwych danych był w stanie wyciągnąć tak daleko idące wnioski. Wśród wielu innych przewidywanych zjawisk fizycznych, które zostały potwierdzone w następnym stuleciu (spowolnienie upływu czasu, zmiana kierunku promieniowania elektromagnetycznego w polach grawitacyjnych itp.), nie udało się praktycznie wykryć obecności tego typu fali interakcja ciał do niedawna.
Grawitacja to iluzja?
Ogólnie rzecz biorąc, w świetleTeoria względności nie może nazwać grawitacji siłą. Jest to konsekwencja perturbacji lub krzywizny kontinuum czasoprzestrzennego. Dobrym przykładem ilustrującym ten postulat jest rozciągnięty kawałek materiału. Pod ciężarem masywnego przedmiotu umieszczonego na takiej powierzchni powstaje wgłębienie. Inne obiekty poruszające się w pobliżu tej anomalii zmienią trajektorię swojego ruchu, jakby były „przyciągane”. A im większy ciężar obiektu (im większa średnica i głębokość krzywizny), tym wyższa „siła przyciągania”. Kiedy przesuwa się przez tkaninę, można zaobserwować pojawienie się rozbieżnego „pofalowania”.
Coś podobnego dzieje się w kosmosie. Każda szybko poruszająca się masywna materia jest źródłem wahań gęstości przestrzeni i czasu. Fala grawitacyjna o znacznej amplitudzie, utworzona przez ciała o ekstremalnie dużych masach lub poruszające się z ogromnymi przyspieszeniami.
Cechy fizyczne
Wahania metryki czasoprzestrzeni objawiają się zmianami pola grawitacyjnego. Zjawisko to jest inaczej nazywane falami czasoprzestrzeni. Fala grawitacyjna działa na napotkane ciała i przedmioty, ściskając je i rozciągając. Wartości deformacji są bardzo małe - około 10-21 od oryginalnego rozmiaru. Cała trudność w wykryciu tego zjawiska polegała na tym, że badacze musieli nauczyć się mierzyć i rejestrować takie zmiany za pomocą odpowiedniego sprzętu. Niezwykle mała jest też moc promieniowania grawitacyjnego – dla całego Układu Słonecznego takkilka kilowatów.
Prędkość propagacji fal grawitacyjnych w niewielkim stopniu zależy od właściwości ośrodka przewodzącego. Amplituda oscylacji stopniowo maleje wraz z odległością od źródła, ale nigdy nie osiąga zera. Częstotliwość mieści się w zakresie od kilkudziesięciu do setek herców. Prędkość fal grawitacyjnych w ośrodku międzygwiazdowym zbliża się do prędkości światła.
Dowód poszlakowy
Po raz pierwszy teoretyczne potwierdzenie istnienia fal grawitacyjnych zostało uzyskane przez amerykańskiego astronoma Josepha Taylora i jego asystenta Russella Hulse w 1974 roku. Badając przestrzenie Wszechświata za pomocą radioteleskopu Obserwatorium Arecibo (Puerto Rico), naukowcy odkryli pulsar PSR B1913 + 16, który jest układem podwójnym gwiazd neutronowych krążących wokół wspólnego środka masy ze stałą prędkością kątową (dość rzadki przypadek). Każdego roku okres obrotu, który pierwotnie wynosił 3,75 godziny, skraca się o 70 ms. Wartość ta jest dość zgodna z wnioskami płynącymi z równań GR przewidujących wzrost prędkości obrotowej takich układów w związku z wydatkami energii na generowanie fal grawitacyjnych. Następnie odkryto kilka podwójnych pulsarów i białych karłów o podobnym zachowaniu. Radioastronomowie D. Taylor i R. Hulse otrzymali w 1993 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za odkrycie nowych możliwości badania pól grawitacyjnych.
Uciekła fala grawitacyjna
Pierwsza wypowiedź na tematwykrycie fal grawitacyjnych pochodzi od naukowca z University of Maryland, Josepha Webera (USA) w 1969 roku. Do tych celów wykorzystał dwie anteny grawitacyjne własnej konstrukcji, oddzielone odległością dwóch kilometrów. Detektorem rezonansowym był dobrze wibrujący jednoczęściowy dwumetrowy aluminiowy cylinder wyposażony w czułe czujniki piezoelektryczne. Amplituda wahań rzekomo zarejestrowanych przez Webera okazała się ponad milion razy wyższa od oczekiwanej wartości. Próby powtórzenia „sukcesu” amerykańskiego fizyka przez innych naukowców za pomocą takiego sprzętu nie przyniosły pozytywnych rezultatów. Kilka lat później praca Webera w tej dziedzinie została uznana za nie do utrzymania, ale dała impuls do rozwoju „boomu grawitacyjnego”, który przyciągnął wielu specjalistów do tej dziedziny badań. Nawiasem mówiąc, sam Joseph Weber do końca swoich dni był pewien, że otrzymał fale grawitacyjne.
Poprawa sprzętu odbiorczego
W latach 70. naukowiec Bill Fairbank (USA) opracował projekt anteny fal grawitacyjnych chłodzonej ciekłym helem przy użyciu SQUID-ów – superczułych magnetometrów. Technologie, które istniały w tym czasie, nie pozwoliły wynalazcy zobaczyć jego produktu, zrealizowanego w "metalu".
Detektor grawitacyjny Auriga powstał w ten sposób w National Legnard Laboratory (Padwa, Włochy). Konstrukcja oparta jest na cylindrze aluminiowo-magnezowym o długości 3 m i średnicy 0,6 m. Urządzenie odbiorcze ważące 2,3 tonyzawieszony w izolowanej komorze próżniowej schłodzonej prawie do zera absolutnego. Do utrwalania i wykrywania drgań stosuje się pomocniczy rezonator kilograma oraz komputerowy kompleks pomiarowy. Deklarowana czułość sprzętu 10-20.
Interferometry
Działanie detektorów interferencji fal grawitacyjnych opiera się na tych samych zasadach, co interferometr Michelsona. Emitowana przez źródło wiązka laserowa jest podzielona na dwa strumienie. Po wielokrotnych odbiciach i podróżach wzdłuż ramion urządzenia strumienie są ponownie łączone, a końcowy obraz interferencyjny służy do oceny, czy jakiekolwiek perturbacje (na przykład fala grawitacyjna) wpłynęły na przebieg promieni. Podobny sprzęt powstał w wielu krajach:
- GEO 600 (Hanower, Niemcy). Długość tuneli próżniowych wynosi 600 metrów.
- TAMA (Japonia) 300 m barków
- VIRGO (Piza, Włochy) to wspólny francusko-włoski projekt uruchomiony w 2007 roku z 3 km tunelami.
- LIGO (USA, Wybrzeże Pacyfiku), polowanie na fale grawitacyjne od 2002 roku.
Ten ostatni jest warty rozważenia bardziej szczegółowo.
LIGO Advanced
Projekt został zainicjowany przez naukowców z Massachusetts Institute of Technology i California Institute of Technology. Obejmuje dwa obserwatoria oddalone o 3 tys. km w stanach Luizjana i Waszyngton (miasta Livingston i Hanford) z trzema identycznymi interferometrami. Długość prostopadłej próżnituneli ma 4 tys. metrów. Są to największe obecnie działające tego typu konstrukcje. Do 2011 roku liczne próby wykrycia fal grawitacyjnych nie przyniosły żadnych rezultatów. Przeprowadzona znacząca modernizacja (Zaawansowane LIGO) ponad pięciokrotnie zwiększyła czułość sprzętu w zakresie 300-500 Hz, a w zakresie niskich częstotliwości (do 60 Hz) prawie o rząd wielkości, osiągając taka pożądana wartość 10-21. Zaktualizowany projekt rozpoczął się we wrześniu 2015 r., a wysiłki ponad tysiąca współpracowników zostały nagrodzone wynikami.
Wykryto fale grawitacyjne
14 września 2015 r. zaawansowane detektory LIGO w odstępie 7 ms zarejestrowały fale grawitacyjne, które dotarły do naszej planety z największego zjawiska, które wystąpiło na obrzeżach obserwowalnego Wszechświata - połączenia dwóch dużych czarnych dziur o masach 29 i 36 razy masa Słońca. Podczas tego procesu, który miał miejsce ponad 1,3 miliarda lat temu, około trzech mas Słońca materii zostało zużytych na promieniowanie fal grawitacyjnych w ciągu ułamków sekundy. Początkową częstotliwość fal grawitacyjnych zarejestrowano jako 35 Hz, a maksymalna wartość szczytowa osiągnęła 250 Hz.
Uzyskiwane wyniki były wielokrotnie poddawane kompleksowej weryfikacji i przetwarzaniu, alternatywne interpretacje uzyskanych danych zostały starannie odcięte. Wreszcie 11 lutego ubiegłego roku ogłoszono społeczności światowej bezpośrednią rejestrację zjawiska przewidywanego przez Einsteina.
Fakt ilustrujący tytaniczną pracę badaczy: amplituda wahań wymiarów ramion interferometru wyniosła 10-19m – wartość ta jest o wiele mniejsza niż średnica atom, ponieważ jest mniejszy niż pomarańcza.
Dalsze perspektywy
Odkrycie po raz kolejny potwierdza, że Ogólna Teoria Względności to nie tylko zbiór abstrakcyjnych formuł, ale całkowicie nowe spojrzenie na istotę fal grawitacyjnych i grawitacji w ogóle.
W dalszych badaniach naukowcy pokładają duże nadzieje w projekcie ELSA: stworzeniu gigantycznego interferometru orbitalnego o ramionach o długości około 5 milionów km, zdolnego do wykrywania nawet niewielkich zakłóceń pól grawitacyjnych. Intensyfikacja prac w tym kierunku może wiele powiedzieć o głównych etapach rozwoju Wszechświata, o procesach trudnych lub niemożliwych do zaobserwowania w tradycyjnych pasmach. Nie ma wątpliwości, że czarne dziury, których fale grawitacyjne zostaną w przyszłości utrwalone, wiele o swojej naturze powiedzą.
Do badania reliktowego promieniowania grawitacyjnego, które może opowiedzieć o pierwszych chwilach naszego świata po Wielkim Wybuchu, potrzebne będą bardziej czułe instrumenty kosmiczne. Taki projekt istnieje (Big Bang Observer), ale jego realizacja, zdaniem ekspertów, jest możliwa nie wcześniej niż za 30-40 lat.
