Tajemnicza osobliwość

8. Poszukiwanie fal grawitacyjnych w zapadających się gwiazdach

W roku 1905 w swojej pracy o szczególnej teorii względności Henri Poincaré zauważył, że jeśli grawitacja jest zjawiskiem relatywistycznym tak jak elektromagnetyzm, to powinny istnieć fale grawitacyjne rozchodzące się z prędkością światła. Dziesięć lat później Einstein wykazał, że ogólna teoria względności przewiduje takie poruszające się pofalowanie materii.

Wytwarzanie fal elektromagnetycznych jest łatwe. Wystarczy potrząsnąć elektronem - zmiany pola elektrycznego wokół niego będą rozchodzić się w przestrzeni jako fale elektromagnetyczne. Wytwarzanie fal grawitacyjnych nie jest już tak łatwe. Przyspieszenie masywnego ciała powoduje emisję fal jako zaburzeń pola grawitacyjnego. Problem polega na tym, że fale te są bardzo słabe. Tylko bardzo gwałtowne zjawiska kosmiczne, takie jak wybuchające gwiazdy, mogą wytworzyć dużą energię fal grawitacyjnych, która umożliwia ich wykrycie.

Pomysł wykrywania fal grawitacyjnych za pomocą dużych masywnych walców zaproponował w 1960 roku Joseph Weber, który przez wiele lat był samotnym i nieustępliwym pionierem poszukiwań fal grawitacyjnych. Jego metoda jest w zasadzie prosta. Fala grawitacyjna zmienia odległość między dwoma punktami materialnymi, przez które przechodzi, wywołując drżenie metalowego pręta lub jego uderzenia przypominające odgłos dzwonu. W praktyce oczekiwane przesunięcia są tak małe (powiedzmy 10-13 cm), że nawet bardzo niewielkie zaburzenie (np. odległy ruch uliczny) bez trudu tłumi słaby sygnał*.

Obecnie znamy dwa rodzaje anten grawitacyjnych nowej generacji. Jednym z nich jest metalowy pręt, podobny do oryginalnego detektora Webera, lecz utrzymywany w temperaturze 1 K. W ciągu kilku tygodni temperatura ta może zostać obniżona do kilku tysięcznych K. Bardzo czułe detektory prętowe Allegro w Luizjanie i Explorer w Genewie ważą po 1,5 tony, zbudowane są z aluminium lub niklu i umieszczone w termostacie niskotemperaturowym.

W antenie drugiego typu laser mierzy odległość między dwoma zawieszonymi masami próbnymi (zwierciadłami). Antena LIGO (Laser Interferome-tric Gravitational Wave Observatory – Laserowe Interferometryczne Obserwatorium Fal Grawitacyjnych) w USA składa się z dwóch detektorów tego typu oddalonych o 1000 km – fala grawitacyjna przechodząca przez Ziemię powinna być wykryta w obu miejscach. Lasery mierzą przesunięcia zwierciadeł poruszanych przez fale grawitacyjne. Podobne obserwatorium grawitacyjne – VIRGO – będzie pracować we Włoszech.



Widok z lotu ptaka na obserwatorium grawitacyjne LIGO w Livingston. Antena obserwatorium składa się z dwóch długich rur próżniowych (na zdjęciu widocznych z lewej strony i u góry), ciągnących się ponad cztery kilometry od centralnej stacji narożnej (zdjęcie otrzymane z LIGO).

Ostatnie badania kwantowej teorii pola przewidują istnienie wielu nowych cząstek, jakich jeszcze nie obserwowano w laboratoriach. A dokładnie, oddziaływanie grawitacyjne powinno zachodzić za pośrednictwem dwóch rodzajów cząstek (lub pól): cząstek tensorowych – odpowiadających zwykłym falom grawitacyjnym i cząstek skalarnych – przenoszących siłę odpychającą. Ruch orbitalny w ciasnych podwójnych układach gwiazdowych wytwarza zwykłe tensorowe fale przewidziane zarówno przez ogólną teorię względności, jak i przez teorię pola grawitacyjnego. W tym przypadku fale skalarne stanowią jedynie niewielki dodatek do promieniowania. Jednakże ogólna teoria względności wyklucza promieniowanie grawitacyjne sferycznie pulsujących gwiazd, podczas gdy teoria pola przewiduje emisję fal skalarnych. Nowe anteny mogą wykrywać tak fale tensorowe, jak i skalarne, i mogą zrewolucjonizować naszą wiedzę o grawitacji, np. promieniowanie skalarne jest zabronione w klasycznej ogólnej teorii względności.

Koniecznością stają się bardzo czułe instrumenty. W ciągu 40-letniej historii poszukiwań fal grawitacyjnych były tylko dwie możliwe obserwacje, które można powiązać z falami grawitacyjnymi. Zdarzenia te były wybuchami supernowych SN1987A i SN1993J. Dzięki nowym detektorom można oczekiwać mniej więcej raz w miesiącu wykrycia sygnałów wybuchów supernowych z nieodległych wielkich gromad galaktyk, takich jak Virgo. Wkrótce po zauważeniu takich wybuchów powinniśmy rozpocząć rutynową detekcję.


________________

* Bezwymiarowa amplituda fal grawitacyjnych h=Dl/L, gdzie D /jest zmianą długości anteny L spowodowaną przez falę grawitacyjną. Sygnał h odbierany na Ziemi zależy od odległości r wybuchającej gwiazdy, wyemitowanej energii promienistej £gw, częstotliwości fali v0 i czasu trwania sygnału t, a więc h= 1,4 × 10^-20 (1 Mpc/r)(E/1Mc^2)^1/2 (1 kHz/v0) (1s/t)^1/2.