Po 100 latach od przewidywań Alberta Einsteina o istnieniu grawitacyjnych zmarszczek w czasoprzestrzeni i 40 lat po ciągłej próbie ich bezpośredniej obserwacji, 11 lutego 2016 roku fizycy pracujący przy eksperymencie LIGO (Laser Interferometr Gravitational-Wave Observatory – dwóch bliźniaczych detektorach w Hanford i Livingston, USA) ogłosili, że właśnie zaobserwowali to o czym mówił Einstein w 1915 roku – fale grawitacyjne powstałe na skutek połączenia dwóch czarnych dziur 1,3 miliarda lat świetlnych od Ziemi.
Obserwację interferometrów potwierdziły teorię grawitacji Einsteina, znaną pod nazwą Ogólnej Teorii Względności (OTW). Ogólna Teoria Względności to w skrócie wyjaśnienie zjawiska oddziaływania grawitacyjnego jako zakrzywienia przestrzeni i czasu przez ciała posiadające masę. Te zakrzywienia sprawiają m.in., że rzucona kula porusza się po paraboli, a planety poruszają się po orbitach eliptycznych wokół gwiazd.
Rodzi się więc nowa dziedzina badań – astronomia fal grawitacyjnych. W najbliższych latach możemy spodziewać się wielu wyników naukowych pochodzących z ich obserwacji. W czasach Einsteina, za jedyne wyobrażalne źródło tych fal uważano orbitujące wokół siebie gwiazdy, jednak nikt nie spodziewał się, by fizycznie dało się odkryć tak słabe źródło. W latach 60. Astrofizycy wiedzieli już o znacznie gęstszych koncentracjach masy – gwiazdach neutronowych. Spekulowano wtedy także o istnieniu czarnych dziur – masywnych gwiazd zapędniętych i tak gęstych, że nawet światło nie jest w stanie z nich uciec. To właśnie w czarnych dziurach pokładano nadzieję na obserwację fal grawitacyjnych.
W 1972 roku fizyk Reiner Weiss zaprojektował instrument optyczny w kształcie litery L zdolny teoretycznie je zaobserwować. To dało podstawy do rozwoju projektu LIGO. Para interferometrów LIGO to ramiona o długości 4 km z lustrami na końcach umieszczone w gigantycznej komorze próżniowej. Poprzez odbijanie wiązki laserowej pomiędzy lustrami, naukowcy mogą porównywać zmiany w długości ramion interferometru z dokładnością do 0,0001 średnicy protona. Przechodząca przez interferometry fala grawitacyjna rozciąga parę interferometrów, jednak każdy o różną długość. W lutym mijającego roku udało się naukowcom taką zmianę zaobserwować.
Teraz dla fizyków otwiera się nowa droga spoglądania w otaczający nas Wszechświat. Na całym świecie planuje się coraz więcej podobnych eksperymentów. Włoski detekor VIRGO będzie wkrótce zdolny wykonywać podobne obserwacje, w Japonii kończy się budowa Detektora Fal Grawitacyjnych Kamioka, a zespół LIGO planuje w 2020 roku ukończyć budowę detektora w Indiach. Jeżeli uda się obserwować fale grawitacyjne przy pomocy co najmniej trzech detektorów, na bazie pomiarów triangulacyjnych będzie można ustalić źródło powstania przechodzącej fali. Tym sposobem można byłoby na przykład skierować teleskopy na łączące się dwie gwiazdy neutronowe i zmierzyć promieniowanie rentegenowskie z nich wychodzące.
Za pomocą takich technik możnaby było zweryfikować różne hipotezy dotyczące czarnych dziur, jak na przykład produkcje przez czarne dziury echa fal grawitacyjnych na skutek przewidywanych przez teoretyków efektów kwantowych, czy chociażby dowiedzieć się czy obracające się czarne dziury produkują rzeczywiście hipotetyczne cząstki zwane aksjonami. Jeśli aksjony istnieją, mogą tworzyć ciemną materię. Nie da się tych teoretycznych cząstek zaobserwować bezpośrednio jeśliby rzeczywiście istniały.
W międzyczasie naukowcy próbują wykryć fale grawitacyjne innymi metodami. W środkach większości galaktyk (jak się obecnie uważa) usytuowane są supermasywne czarne dziury o masach niekiedy miliardów mas Słońca. Kiedy dwie takie czarne dziury łączą się, emitują niezwykle silne promieniowanie grawitacyjne o długościach fali powyżej lat świetlnych. Tysiąc razy dłuższych od tego co potrafiłby wykryć detektor LIGO. W celu wykrycia tych fal trzeba się posłużyć kosmicznymi klepsydrami – milisekundowymi pulsarami.
Pulsary to obracające się gwiazdy neutronowe. Znane są z emisji niezwykle regularnych fal radiowych. Kiedy taka potężna fala grawitacyjna mija Ziemię przemieszcza ją nieco w kierunku niektórych pulsarów i oddala od innych. Takie zmiany położenia spowodowałyby efekt Dopplera – częstotliwości niektórych pulsarów zwiększyłyby się, a niektórych zmniejszyły. Możliwość obserwowania w ten sposób długich fal grawitacyjnych w połączeniu z obserwacjami krótkich fal przez LIGO pozwala dokładniej śledzić fizykom sposób zmian w obrębie galaktyk i historię kosmologiczną całego Wszechświata.
W nieco odleglejszej przyszłości NASA w kolaboracji z ESA (Europejską Agencją Kosmiczną) chce wysłać wartą niemal 2 miliardy dolarów misję LISA (Laser Interferometr Space Antenna). Misja ta ma składać się z trzech satelitów krążących po orbicie wokół Słońca. Można powiedzieć, że stworzą one ogromny trójkątny interferometr o długości milionów kilometrów. Umożliwią one pomiar fal o długościach miliardów kilometrów – coś pomiędzy możliwościom LIGO i detekcji pulsarowej.
LISA będzie mogła wykryć połączenia trochę mniejszych supermasywnych czarnych dziur z większą dokładnością niż detekcja za pomocą pulsarów. Przy jej pomocy fizycy liczą na wykrycie wciągania przez supermasywną czarną dziurę wewnątrz naszej galaktyki mniejszych - gwiazdowych czarnych dziur.
Jak widać odkrycie fal grawitacyjnych otworzyło zupełnie nowy rozdział badań, który umożliwi weryfikacje mnóstwa kosmologicznych teorii. LIGO w 2016 roku jeszcze dwa razy wykrył sygnały pochodzące z przejścia fal grawitacyjnych. Interferometry wznowiły przed miesiącem swoją pracę i gdy osiągną zaprojektowaną czułość, naukowcy liczą na wykrywanie zderzeń czarnych dziur średnio raz dziennie!
Więcej informacji na portalu Urania:
Źródło: Science Magazine (Vol. 354)
Na zdjęciu: Północna odnoga detektora LIGO w Hanford. Źródło: Wikipedia
Obserwację interferometrów potwierdziły teorię grawitacji Einsteina, znaną pod nazwą Ogólnej Teorii Względności (OTW). Ogólna Teoria Względności to w skrócie wyjaśnienie zjawiska oddziaływania grawitacyjnego jako zakrzywienia przestrzeni i czasu przez ciała posiadające masę. Te zakrzywienia sprawiają m.in., że rzucona kula porusza się po paraboli, a planety poruszają się po orbitach eliptycznych wokół gwiazd.
Rodzi się więc nowa dziedzina badań – astronomia fal grawitacyjnych. W najbliższych latach możemy spodziewać się wielu wyników naukowych pochodzących z ich obserwacji. W czasach Einsteina, za jedyne wyobrażalne źródło tych fal uważano orbitujące wokół siebie gwiazdy, jednak nikt nie spodziewał się, by fizycznie dało się odkryć tak słabe źródło. W latach 60. Astrofizycy wiedzieli już o znacznie gęstszych koncentracjach masy – gwiazdach neutronowych. Spekulowano wtedy także o istnieniu czarnych dziur – masywnych gwiazd zapędniętych i tak gęstych, że nawet światło nie jest w stanie z nich uciec. To właśnie w czarnych dziurach pokładano nadzieję na obserwację fal grawitacyjnych.
W 1972 roku fizyk Reiner Weiss zaprojektował instrument optyczny w kształcie litery L zdolny teoretycznie je zaobserwować. To dało podstawy do rozwoju projektu LIGO. Para interferometrów LIGO to ramiona o długości 4 km z lustrami na końcach umieszczone w gigantycznej komorze próżniowej. Poprzez odbijanie wiązki laserowej pomiędzy lustrami, naukowcy mogą porównywać zmiany w długości ramion interferometru z dokładnością do 0,0001 średnicy protona. Przechodząca przez interferometry fala grawitacyjna rozciąga parę interferometrów, jednak każdy o różną długość. W lutym mijającego roku udało się naukowcom taką zmianę zaobserwować.
Teraz dla fizyków otwiera się nowa droga spoglądania w otaczający nas Wszechświat. Na całym świecie planuje się coraz więcej podobnych eksperymentów. Włoski detekor VIRGO będzie wkrótce zdolny wykonywać podobne obserwacje, w Japonii kończy się budowa Detektora Fal Grawitacyjnych Kamioka, a zespół LIGO planuje w 2020 roku ukończyć budowę detektora w Indiach. Jeżeli uda się obserwować fale grawitacyjne przy pomocy co najmniej trzech detektorów, na bazie pomiarów triangulacyjnych będzie można ustalić źródło powstania przechodzącej fali. Tym sposobem można byłoby na przykład skierować teleskopy na łączące się dwie gwiazdy neutronowe i zmierzyć promieniowanie rentegenowskie z nich wychodzące.
Za pomocą takich technik możnaby było zweryfikować różne hipotezy dotyczące czarnych dziur, jak na przykład produkcje przez czarne dziury echa fal grawitacyjnych na skutek przewidywanych przez teoretyków efektów kwantowych, czy chociażby dowiedzieć się czy obracające się czarne dziury produkują rzeczywiście hipotetyczne cząstki zwane aksjonami. Jeśli aksjony istnieją, mogą tworzyć ciemną materię. Nie da się tych teoretycznych cząstek zaobserwować bezpośrednio jeśliby rzeczywiście istniały.
W międzyczasie naukowcy próbują wykryć fale grawitacyjne innymi metodami. W środkach większości galaktyk (jak się obecnie uważa) usytuowane są supermasywne czarne dziury o masach niekiedy miliardów mas Słońca. Kiedy dwie takie czarne dziury łączą się, emitują niezwykle silne promieniowanie grawitacyjne o długościach fali powyżej lat świetlnych. Tysiąc razy dłuższych od tego co potrafiłby wykryć detektor LIGO. W celu wykrycia tych fal trzeba się posłużyć kosmicznymi klepsydrami – milisekundowymi pulsarami.
Pulsary to obracające się gwiazdy neutronowe. Znane są z emisji niezwykle regularnych fal radiowych. Kiedy taka potężna fala grawitacyjna mija Ziemię przemieszcza ją nieco w kierunku niektórych pulsarów i oddala od innych. Takie zmiany położenia spowodowałyby efekt Dopplera – częstotliwości niektórych pulsarów zwiększyłyby się, a niektórych zmniejszyły. Możliwość obserwowania w ten sposób długich fal grawitacyjnych w połączeniu z obserwacjami krótkich fal przez LIGO pozwala dokładniej śledzić fizykom sposób zmian w obrębie galaktyk i historię kosmologiczną całego Wszechświata.
W nieco odleglejszej przyszłości NASA w kolaboracji z ESA (Europejską Agencją Kosmiczną) chce wysłać wartą niemal 2 miliardy dolarów misję LISA (Laser Interferometr Space Antenna). Misja ta ma składać się z trzech satelitów krążących po orbicie wokół Słońca. Można powiedzieć, że stworzą one ogromny trójkątny interferometr o długości milionów kilometrów. Umożliwią one pomiar fal o długościach miliardów kilometrów – coś pomiędzy możliwościom LIGO i detekcji pulsarowej.
LISA będzie mogła wykryć połączenia trochę mniejszych supermasywnych czarnych dziur z większą dokładnością niż detekcja za pomocą pulsarów. Przy jej pomocy fizycy liczą na wykrycie wciągania przez supermasywną czarną dziurę wewnątrz naszej galaktyki mniejszych - gwiazdowych czarnych dziur.
Jak widać odkrycie fal grawitacyjnych otworzyło zupełnie nowy rozdział badań, który umożliwi weryfikacje mnóstwa kosmologicznych teorii. LIGO w 2016 roku jeszcze dwa razy wykrył sygnały pochodzące z przejścia fal grawitacyjnych. Interferometry wznowiły przed miesiącem swoją pracę i gdy osiągną zaprojektowaną czułość, naukowcy liczą na wykrywanie zderzeń czarnych dziur średnio raz dziennie!
Więcej informacji na portalu Urania:
Źródło: Science Magazine (Vol. 354)
Na zdjęciu: Północna odnoga detektora LIGO w Hanford. Źródło: Wikipedia
