Sto lat po tym, jak Einstein zaproponował istnienie fal grawitacyjnych jako jeden z wniosków ze swojej Ogólnej Teorii Względności, okazuje się, że być może trzeba będzie jeszcze raz przemyśleć naszą wiedzę o tych egzotycznych zjawiskach. Po jedenastu latach badań realizowanych przez organizację Commonwealth Scientific and Telescope (CSIRO) naukowcy dochodzą do wniosku, że brakuje oczekiwanego przez teorię tła takich fal, co poddaje w wątpliwość nasze zrozumienie galaktyk i czarnych dziur.
Idea fal grawitacyjnych jest dla ludzi nauki niezwykle atrakcyjna - uważa się, że niosą one pewną informację, która pozwoli nam spojrzeć wstecz aż do początków Wszechświata. Jednak mimo faktu, że istnieją silne poszlaki przemawiające za ich istnieniem, fale te nie zostały jeszcze bezpośrednio wykryte.
Naukowcy spodziewali się wykryć te odległe "dudnienia" fal pochodzących z łączących się galaktyk w całym wczesnym Wszechświecie. Skorzystali w tym celu m.in. z radioteleskopów. Ale fal tych nie znaleziono. Po raz pierwszy od bardzo dawna naukowcy zaczęli więc myśleć o Wszechświecie w nieco inny sposób. Fakt, że fale grawitacyjne nie zostały wykryte, jest bez wątpienia sprzeczny z oczekiwaniami teoretyków i poddaje całą naszą dotychczasową wiedzę o czarnych dziurach w wątpliwość.
Teoria jest taka: galaktyki rosną przez łączenie się ze sobą, a każda duża galaktyka ma w centrum dużą czarną dziurę. Gdy łączą się dwie galaktyki, czarne dziury przyciągają się do siebie nawzajem, tworząc okrążający się, ciasny układ takich obiektów. W tym momencie teoria Einsteina mówi tyle, że para taka wpada w „spiralę śmierci”, stopniowo na siebie opadając i wysyłając fale zwane falami grawitacyjnymi. Fale te propagują się po prostu w czasoprzestrzeni.
Choć Ogólna Teoria Względności Einsteina przetrwała jak dotąd wszystkie testy obserwacyjne, bezpośrednie wykrycie fal grawitacyjnych nadal pozostaje jedyną brakującą częścią tej układanki.
W poszukiwaniu fal użyto między innymi teleskopu Parkes, który monitorował próbkę tzw pulsarów milisekundowych. Te małe gwiazdy produkują bardzo regularne zestawy impulsów radiowych i działają niczym bardzo dokładne kosmiczne zegary. Naukowcy mierzą czasy przyjścia takich sygnałów pulsarowych z dokładnością do dziesięciu miliardowych części sekundy. Fala grawitacyjna przechodząca pomiędzy Ziemią a pulsarem milisekundowym ściska i rozciąga czasoprzestrzeń, zmieniając odległość pomiędzy nimi o około 10 metrów - drobny ułamek w skali odległości pulsara od Ziemi. A to zmienia nieznacznie czas, po jakim sygnały pulsara przybywają do Ziemi.
Idea fal grawitacyjnych jest dla ludzi nauki niezwykle atrakcyjna - uważa się, że niosą one pewną informację, która pozwoli nam spojrzeć wstecz aż do początków Wszechświata. Jednak mimo faktu, że istnieją silne poszlaki przemawiające za ich istnieniem, fale te nie zostały jeszcze bezpośrednio wykryte.
Naukowcy spodziewali się wykryć te odległe "dudnienia" fal pochodzących z łączących się galaktyk w całym wczesnym Wszechświecie. Skorzystali w tym celu m.in. z radioteleskopów. Ale fal tych nie znaleziono. Po raz pierwszy od bardzo dawna naukowcy zaczęli więc myśleć o Wszechświecie w nieco inny sposób. Fakt, że fale grawitacyjne nie zostały wykryte, jest bez wątpienia sprzeczny z oczekiwaniami teoretyków i poddaje całą naszą dotychczasową wiedzę o czarnych dziurach w wątpliwość.
Teoria jest taka: galaktyki rosną przez łączenie się ze sobą, a każda duża galaktyka ma w centrum dużą czarną dziurę. Gdy łączą się dwie galaktyki, czarne dziury przyciągają się do siebie nawzajem, tworząc okrążający się, ciasny układ takich obiektów. W tym momencie teoria Einsteina mówi tyle, że para taka wpada w „spiralę śmierci”, stopniowo na siebie opadając i wysyłając fale zwane falami grawitacyjnymi. Fale te propagują się po prostu w czasoprzestrzeni.
Choć Ogólna Teoria Względności Einsteina przetrwała jak dotąd wszystkie testy obserwacyjne, bezpośrednie wykrycie fal grawitacyjnych nadal pozostaje jedyną brakującą częścią tej układanki.
W poszukiwaniu fal użyto między innymi teleskopu Parkes, który monitorował próbkę tzw pulsarów milisekundowych. Te małe gwiazdy produkują bardzo regularne zestawy impulsów radiowych i działają niczym bardzo dokładne kosmiczne zegary. Naukowcy mierzą czasy przyjścia takich sygnałów pulsarowych z dokładnością do dziesięciu miliardowych części sekundy. Fala grawitacyjna przechodząca pomiędzy Ziemią a pulsarem milisekundowym ściska i rozciąga czasoprzestrzeń, zmieniając odległość pomiędzy nimi o około 10 metrów - drobny ułamek w skali odległości pulsara od Ziemi. A to zmienia nieznacznie czas, po jakim sygnały pulsara przybywają do Ziemi.
Na ilustracji: Cygnus A - jedna z bardzo wczesnych map radiowych. Jest to galaktyka aktywna, w której centrum niemal na pewno rezyduje bardzo masywna czarna dziura.
Naukowcy badali takie pulsary przez jedenaście lat – to dość długo, by odkryć istnienie takich zaburzających czas i odległość fal grawitacyjnych. Czemu więc ich tam nie ma? Powody mogą być różne – sądzi się jednak, że czarne dziury łączą się bardzo szybko, spędzając niewiele czasu razem na spiralnych orbitach, gdzie mogłyby generować silne fale grawitacyjne. Może być też tak, że duże ilości otaczającego czarne dziury gazu wywołują tarcie, co przejmuje część energii fal grawitacyjnych. Tak czy inaczej – nie udało się znaleźć tych fal dzięki zegarom pulsarowym.
Co dalej? Być może przydatna będzie bardziej czuła aparatura, taka jak obserwująca na nieco wyższych częstotliwościach, budowana obecnie sieć anten o nazwie SKA (Square Kilometer Array telescope).
Tym niemniej brak wykrycia fal poprzez badanie pulsarów milisekundowych nie ma też żadnego wpływu na badania wykonywane za pomocą naziemnych detektorów fal grawitacyjnych, takich jak Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, który rozpoczął niezależne obserwacje w zeszłym tygodniu.
Czytaj więcej:
Źródło: Astronomy.com
Opracowanie: Elżbieta Kuligowska
(Tekst ukazał się pierwotnie w serwisie edukacyjnym PTA Orion, którego zasoby zostały włączone do portalu Urania)
Na zdjęciu powyżej: Naziemne detektory i radioteleskopy poszukują fal grawitacyjnych wyższej częstotliwości, generowanych przez różne źródła, takie jak na przykład zlewające się ze sobą gwiazdy neutronowe. Źródło: CSIRO
