Choć fale grawitacyjne wstrząsają światem od miliardów lat, po raz pierwszy ludzie zaobserwowali je 14 września 2015 r. w amerykańskich obserwatoriach LIGO - we współpracy z europejskim Virgo. Nowinę tę potwierdzono i ogłoszono światu kilka miesięcy później, a już w 2017 r. badania teoretyczne z tego zakresu nagrodzono Noblem. Naukowcy jednak nie spoczęli na laurach. Badania nad promieniowaniem grawitacyjnym nie ustają, a teraz już co kilka dni daje się obserwować, jak kolejne zmarszczki czasoprzestrzeni przepływają przez Wszechświat i nasze detektory.

DRŻĄCE CIAŁA

Przyjęło się mówić, że fale grawitacyjne to zaburzenia w czasoprzestrzeni. Wywołują je najbardziej gwałtowne zdarzenia w kosmosie - np. kolizje obiektów o ogromnych przyspieszeniach i wielkich masach. Energia z takiego układu rozchodzi się we wszystkich kierunkach z prędkością światła (jak wiemy z obserwacji fali grawitacyjnej w sierpniu 2017 roku, której towarzyszył błysk promieniowania gamma), na chwilę odkształcając całą czasoprzestrzeń na swojej drodze. Zmieniają się więc na chwilę odległości pomiędzy cząstkami materii, z której zbudowane są gwiazdy, planety i my wszyscy, a także tempo przepływu czasu między tymi obiektami.

Na Ziemi są to tak niewielkie zmiany odległości, że nie jesteśmy tego w stanie zauważyć własnymi zmysłami. Dlatego powstały na świecie obserwatoria fal grawitacyjnych: dwa działają w ramach amerykańskiego LIGO, a po jednym - w ramach europejskiego Virgo we Włoszech i japońskiego KAGRA. Są to wielokilometrowej długości interferometry, które z niezwykle wysoką precyzją mierzą minimalne zmiany odległości między oddalonymi punktami. Dzięki ich wspólnej pracy naukowcy są w stanie ustalić źródło tych fal. I nie ma wątpliwości, że tego typu „trzęsienie czasoprzestrzeni” to sygnał uwolniony dawno, dawno temu w galaktykach odległych od nas temu nawet o miliardy lat świetlnych.

Jak tłumaczy w rozmowie z PAP astrofizyk prof. Michał Bejger z Centrum Astronomicznego im. Mikołaja Kopernika PAN i Włoskiego Instytutu Fizyki Jądrowej, detekcja fal grawitacyjnych dała zupełnie nową perspektywę w badaniach kosmosu.

FIZYKA OD NOWA: BADANA OSNOWA

- Do tej pory opisywaliśmy Wszechświat dzięki informacjom przynoszonym przez cząstki elementarne - fotony promieniowania elektromagnetycznego, cząstki promieniowania kosmicznego i neutrina. Dzięki badaniom fal grawitacyjnych zyskujemy zaś zupełnie inne podejście - możemy badać dynamiczne zmiany całej czasoprzestrzeni, wywołane ruchem mas. Dostajemy więc bezpośredni dostęp do badania „osnowy” rzeczywistości, a nie tylko obiektów w niej zanurzonych – wyjaśnia prof. Bejger.

ZMYSŁOWE BADANIA

Zdaniem naukowca to nowe podejście otworzyło też wrota do tzw. astronomii wieloaspektowej (multi-messenger). Kiedy zlokalizujemy źródło fal w przestrzeni, możemy bowiem skierować w tamtą stronę teleskopy i obserwować to samo zjawisko w np. różnych pasmach promieniowania elektromagnetycznego. Albo odwrotnie: badacze obserwujący niebo w zakresie promieniowania elektromagnetycznego dają o informacje potencjalnie ciekawym źródle fal grawitacyjnych, których można szukać w danych. Dzięki temu uzyskujemy pełniejszy obraz kosmicznych kataklizmów: nie tylko je widzimy, ale i jednocześnie „słyszymy”.

ZAGLĄDANIE DO CZARNEJ DZIURY - W TEORII? NIE, W PRAKTYCE

Badania fal grawitacyjnych pozwalają też testować na zupełnie nowe sposoby ogólną teorię względności Einsteina. Jak do tej pory Wszechświat zachowuje się grzecznie, czyli zgodnie z regułami teorii względności.

W teorii więc dziur nie widać, ale za to w danych obserwacyjnych po raz pierwszy dziury widać - tylko że te czarne.

- Badanie fal grawitacyjnych to pierwsze bezpośrednie potwierdzenie istnienia czarnych dziur. Wcześniej mieliśmy na ich istnienie tylko pośrednie dowody - uważa prof. Bejger. I wyjaśnia, że fale grawitacyjne po raz pierwszy ukazały, jak ruch i łączenie się czarnych dziur dynamicznie zakrzywia czasoprzestrzeń. A dzięki temu z kolei jesteśmy w stanie precyzyjnie mierzyć masy czarnych dziur wchodzących w kolizję i tempo ich rotacji, oraz, ewentualnie, dodatkowe parametry nieprzewidziane teorią względności Einsteina.

ZAKAZANE WIBRACJE

Kolejnym elementem badań nad falami grawitacyjnymi są obserwacje zderzeń gwiazd neutronowych: te wydarzenia nie tylko prowadzą do powstawania nowych czarnych dziur (lub egzotycznych, masywnych gwiazd neutronowych, być może pełnych egzotycznej materii), ale są również kosmicznymi „fabrykami” ciężkich pierwiastków, takich jak złoto i platyna (nasza biżuteria powstała w największych kosmicznych wybuchach).

Zyskaliśmy też wgląd w ewolucję masywnych obiektów: obserwujemy, jak pary czarnych dziur łączą się w coraz masywniejsze obiekty, co rzuca światło na ich cykl życia we Wszechświecie, oraz powstawanie tak wielkich dziur, jak supermasywna Sgr A* w centrum naszej Galaktyki.

ZIEMSKIE SZEPTY I KOSMICZNE KRZYKI

Co ciekawe, częstotliwości fal wykrywanych przez LIGO i Virgo mieszczą się w zakresie słyszalnym dla człowieka (ok. 10-2000 Hz). Prof. Bejger porównuje, że sygnał uwolniony w zderzeniu czarnych dziur brzmi jak „ćwierknięcie”.

Największym wyzwaniem dla naukowców jest jednak oddzielenie tych kosmicznych odgłosów od ziemskiego „szumu”. Prof. Bejger tłumaczy, że w sygnale detektorów pojawia się wiele „odgłosów”, które wyjaśnia się w bardzo przyziemny sposób: burze, ruchy sejsmiczne, wycinki drzew, ruch uliczny, a nawet... kruki stukające w aparaturę chłodzącą, czy biegacze stepowe - unoszone wiatrem kuliste krzaczki, które uderzają o obudowę detektora.

Nie ma jednak wątpliwości, że co parę dni w tym szumie daje się zauważyć, że interferometrami zarówno w USA, Włoszech i Japonii wstrząsają kolejno te same zaburzenia, których źródło jest bardzo masywne i bardzo odległe. Nie ma na to innego wyjaśnienia, jak obecność fal grawitacyjnych.

NOWA FALA

Plany na przyszłość są ambitne. Naukowcy wykorzystują fale grawitacyjne do poszukiwania sygnałów z wybuchów supernowych czy pulsarów, a nawet do badań nad ciemną materią.

Dotychczas działające obserwatoria to dopiero początek badania nad falami. Powstać mają nowe detektory - w Indiach powstaje kolejny detektor LIGO, a około 2037 roku Europejska Agencja Kosmiczna planuje wysłać w przestrzeń kosmiczną misję LISA – będzie to obserwatorium składające się z trzech satelitów, które oddalą się od siebie o miliony kilometrów i będą w stanie wykrywać fale o znacznie niższych częstotliwościach niż dotąd. To zaś da szansę, by podglądać nowe rodzaje kosmicznych kataklizmów: kolizje supermasywnych czarnych dziur, a także - być może - fale wyemitowane tuż po Wielkim Wybuchu.

Polscy naukowcy aktywnie uczestniczą w rewolucji związanej z falami grawitacyjnymi. Specjalizują się zwłaszcza w analizie danych, rozwijaniu infrastruktury detektorów oraz dostarczaniu mocy obliczeniowej (m.in. dzięki zasobom polskiego centrum obliczeniowego Cyfronet). - Są również zaangażowani w budowę europejskiego podziemnego detektora fal grawitacyjnych, nazwanego Teleskopem Einsteina, który będzie umożliwiał detekcję wszystkich sygnałów emitowanych przez gwiazdowe czarne dziury od początku Wszechświata. Przewiduje się, że w ciągu roku wykryjemy miliony sygnałów tego typu! - zapowiada prof. Bejger.

RAZ NA FALI, RAZ POD FALĄ

Zdaniem prof. Bejgera największymi wyzwaniami w badaniu fal grawitacyjnych, tak jak i w rozwoju nowoczesnej nauki, pozostają sprawy prozaiczne: finansowanie i polityka. Astrofizyk zwraca uwagę, że np. niedawna propozycja administracji Donalda Trumpa o obcięciu budżetu LIGO o 40 proc. w 2026 roku, stanowi realne zagrożenie dla postępu badań. Również mały budżet na naukę przeznaczany przez Polskę jest według niego ogromnym ograniczeniem.

Badacz zwraca uwagę, że badania nad falami grawitacyjnymi to nie tylko pogoń za abstrakcyjną wiedzą o kosmosie, ale motor napędowy dla technologii i kształcenia ekspertów, oraz podnoszenie poziomu wiedzy całego społeczeństwa, co przekłada się np. na jakość życia.

- Badania fal grawitacyjnych to realizowany z rozmachem eksperyment naukowy, który pozwala lepiej zrozumieć podstawowe „reguły”, według których działa świat - mówi badacz. Potrzeby astronomów zaś stymulują inżynierów do testowania wielu nowych technologii, które potem znajdują codzienne zastosowania. - To choćby technologie z zakresu elektroniki, optyki, laserów, kwantowych własności światła czy nowe metody analizy złożonych danych, w tym metody uczenia maszynowego, którymi również zajmujemy się w polskiej grupie - wymienia prof. Bejger.

Nauka w Polsce, Ludwika Tomala (PAP)

lt/ zan/ ktl/