10 lat temu po raz pierwszy zaobserwowano fale grawitacyjne

Mija dekada od zaobserwowania po raz pierwszy "zmarszczek czasoprzestrzeni". Przez ten czas detektory fal grawitacyjnych zarejestrowały setki kosmicznych kataklizmów: od narodzin i zderzeń czarnych dziur aż po zjawiska, w których powstają ciężkie pierwiastki - wylicza astrofizyk prof. Michał Bejger.

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.

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.

- 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.

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".

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.

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.

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.

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.

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 własnosci światła czy nowe metody analizy złożonych danych, w tym metody uczenia maszynowego, którymi również zajmujemy się w polskiej grupie - wymienia prof. Bejger.

Ludwika Tomala 

***

W niedzielę mija 10 lat od obserwacyjnego potwierdzenia istnienia fal grawitacyjnych, co uznano za jedno z najgłośniejszych odkryć w fizyce i badaniach kosmosu w XXI wieku. Badania te uhonorowano także Nagrodą Nobla.

Fale grawitacyjne udało się zarejestrować 14 września 2015 r. Ogłoszono to światu 11 lutego 2016 roku. Przełomowej detekcji dokonał amerykański interferometr o nazwie LIGO, a udział miał też europejski odpowiednik Virgo. Chociaż ten drugi fal nie zarejestrował, było to istotne przy interpretacji danych.

Czym są fale grawitacyjne? Ich historia sięga Alberta Einsteina, który w 1916 roku przedstawił Ogólną Teorię Względności. Jego teoria przestawia siły grawitacyjne jako efekt zakrzywienia czasoprzestrzeni, które jest wywołane przez masę. Z obliczeń wynikało, iż niektóre zjawiska mogą wywoływać pewnego rodzaju zaburzenia ("zmarszczki") w czasoprzestrzeni i te zaburzenia przemieszczają się z prędkością światła. Tymi zaburzeniami są fale grawitacyjne.

Jednak przez dziesiątki lat fale grawitacyjne pozostawały jedynie teoretyczną hipotezą, a ludzkość nie dysponowała środkami technicznymi umożliwiającymi jej sprawdzenie. Rozwój techniki powodował, że możliwość sprawdzenia tego zaczęła rysować się na horyzoncie.

Przydatne do tego celu okazały się obserwacje kosmosu. W 1974 roku Joseph Tylor i Russel Hulse zbadali okrążające się pulsary PSR 1913-16, uzyskując pośredni dowód na istnienie fal grawitacyjnych. Dostali za to Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1993 roku.

To jednak ciągle nie była bezpośrednia detekcja fal grawitacyjnych. W 1992 roku naukowcy z amerykańskich uczelni Massachusetts Institute of Technology (MIT) oraz California Institute of Technology (Caltech) postanowili zbudować detektor fal grawitacyjnych. W ten sposób w 2000 roku powstało obserwatorium o nazwie Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory, w skrócie LIGO. LIGO posiada dwa detektory, jeden w Livingston, a drugi w Hanford.

Detektory LIGO to instrumenty działające na zasadzie interferometru Michelsona. Instrumenty te składają się z dwóch rur o długości 4 km, przecinających się pod kątem prostym. W miejscu łączenia rur znajduje się rozdzielacz światła. W trakcie eksperymentu włączony jest laser, jego wiązka rozdzielana jest do obu rur i dociera do zwierciadeł na ich końcach. Promienie są wielokrotnie odbijane tam i z powrotem i na koniec trafiają do fotodetektora. Na podstawie zjawiska interferencji oblicza się różnicę w długości dróg przebytej przez wiązki w obu rurach. Jeżeli w czasie pomiaru do detektora dotrze fala grawitacyjna, długość ramiom ulenie mikroskopijnej zmianie, przez co wiązki lasera nie dotrą jednocześnie do fotodetektora. Całość trzeba bardzo dobrze odizolować od wszelkich możliwych zakłóceń (np. drgań sejsmicznych), gdyż potencjalna zmiana w wyniku przejścia fali grawitacyjnej jest niezwykle mała. Z tego też powodu m.in. wybudowano dwa detektory, aby łatwiej odróżniać zakłócenia pochodzenia ziemskiego od potencjalnego sygnału fal grawitacyjnych z kosmosu.

Koncepcja bezpośredniej detekcji fal grawitacyjnych była rozważana też wśród innych naukowców, na przykład w Europie powstał detektor Virgo, umiejscowiony we Włoszech niedaleko Pizy. Projekt został zaaprobowany w 1992 roku przez francuskie Narodowe Centrum Badań Naukowych (CNRS), a potem przez włoski Narodowy Instytut Fizyki Jądrowej (INFN). Prace konstrukcyjne zaczęły się w 1996 roku, a ukończono je w 2003 roku.

14 września 2015 roku nastąpił historyczny moment, gdyż zarejestrowano sygnał nazwany potem GW150914. Była to pierwsza detekcja fal grawitacyjnych. Sygnał pochodził od zderzenia dwóch czarnych dziur, które zaszło 1,4 miliarda lat temu, i teraz fale grawitacyjne dotarły do nas. Czarne dziury miały masy 29 i 36 mas Słońca, a w wyniku zderzenia powstała czarna dziura o masie 62 mas Słońca. Brakująca masa została przekształcona w fale grawitacyjne. Sygnał trwał około 0,2 sekundy. Poza dowodem, że fale grawitacyjne faktycznie istnieją, był to przy okazji dowód, iż we współczesnym Wszechświecie zachodzą zderzenia czarnych dziur.

Poza samą pierwszą detekcją w 2015 roku, drugim przełomowym momentem dla badań fal grawitacyjnych było zaobserwowanie błysku kilonowej 17 sierpnia 2017 roku (GW170817). Kilonowa to efekt zderzenia dwóch gwiazd neutronowych, towarzyszy temu m.in. emisja fal grawitacyjnych. Około dwie sekundy po detekcji fal grawitacyjnych, kosmiczne obserwatoria Fermi i INTEGRAL (pierwsze należące do NASA, a drugie - do Europejskiej Agencji Kosmicznej) odnotowały krótki rozbłysk gamma ze wskazanego obszaru nieba. Wkrótce obserwacje rozpoczęły inne teleskopy, łącznie ponad 70 teleskopów naziemnych i kosmicznych, pracujących w różnych zakresach długości fal elektromagnetycznych. Udało się ustalić, iż zaobserwowane zjawisko zaszło w galaktyce NGC 4993, odległej od nas o 130 milionów lat świetlnych. Naukowcy mieli więc zarówno obserwacje fal grawitacyjnych, jak i fal elektromagnetycznych od tego samego zjawiska. Był to dowód przekonujący tych, którzy pozostawali sceptyczni po ogłoszeniu detekcji z 2015 roku.

3 października 2017 roku naukowcom zaangażowanym w obserwacyjne potwierdzenie istnienia fal grawitacyjnych przyznano Nagrodę Nobla. Otrzymali ją Rainer Weiss, Barry C. Barish oraz Kip S. Thorne "za przełomowy wkład w detektor LIGO i obserwacje fal grawitacyjnych".

Kolejnym istotnym odkryciem było wykrycie w 2023 roku tła fal grawitacyjnych. Jego częstotliwości są na falach poza zasięgiem detektorów fal grawitacyjnych, ale z pomocą przyszły radioteleskopy. W ramach eksperymentu NANOGrav (oraz kilku innych) przez kilkanaście lat obserwowano subtelne zmiany w sygnałach docierających do nas od pulsarów. Wydaje się, że taki szum - tło fal grawitacyjnych - wykryty we wspominany sposób, powstaje w szczególności w parach supermasywnych czarnych dziur, łączących się w centrach galaktyk. Pewna część tego szumu może pochodzić nawet z okresu krótko po Wielkim Wybuchu.

Detektory fal grawitacyjnych przechodzą modernizacje, aby zwiększyć ich czułość. Wspólnych sesji obserwacyjnych było już kilka i obecnie zarejestrowanych jest już około 300 detekcji źródeł fal grawitacyjnych (stan na lipiec 2025 r.). Runda obserwacyjna O1 trwała 3 miesiące w latach 2015-2016 i jej efektem były trzy detekcje. Runda O2 trwała 9 miesięcy w latach 2016-2017 i dała 8 detekcji. Z kolei runda O3 w latach 2019-2020 trwała przez 11 miesięcy i poznaliśmy dzięki niej 79 nowych detekcji.

Od tamtej pory powstał także japoński detektor Kamioka Gravitational Wave Detector (KAGRA), jego projekt zaakceptowano w 2010 roku, zaczął działanie w 2020 roku i brał udział w trzeciej rundzie obserwacyjnej wspólnie z LIGO i Virgo.

Aktualnie trwa czwarta wspólna runda obserwacyjna detektorów LIGO, Virgo i KAGRA. Rozpoczęła się 24 maja 2023 roku, a zakończy 18 listopada 2025 roku. Przy czym detektor KAGRA wypadł z obserwacji na pewien czas z powodu uszkodzeń spowodowanych przez trzęsienia ziemi 1 stycznia 2024 roku, ale powrócił 11 czerwca 2025 roku. Do tej pory w ramach rundy O4 wykryto ponad 200 detekcji. Potem po przerwie, w 2027 roku rozpocznie się runda piąta (O5), która potrwa kilka lat.

Zdecydowana większość detekcji dotyczy sygnałów od zderzających się czarnych dziur. Wykryto jednak także dwa lub trzy zderzenia gwiazd neutronowych, pięć lub sześć zderzeń gwiazdy neutronowej z czarną dziurą. Udało się też uzyskać trzy lub cztery detekcje wskazujące na obiekty z tzw. przerwy masowej (od 2 do 5 mas Słońca) pomiędzy gwiazdami neutronowymi, a czarnymi dziurami. Nie wiadomo, czy to są bardzo masywne gwiazdy neutronowe, czy czarne dziury o bardzo małych masach.

Znaczny wzrost liczby detekcji wynika z modernizacji detektorów i wzrostu ich czułości. O ile w rundzie O1 detektor LIGO miał zasięg do 260 milionów lat świetlnych, to w rundzie 04 już około 550 milionów lat świetlnych. W przypadku O1 w zasięgu były trzy lub cztery supergromady galaktyk, a obecnie w O4 jest to już kilkanaście supergromad galaktyk. Wartości te dotyczą detekcji sygnałów od zderzeń z gwiazdami neutronowymi, natomiast w przypadku zderzeń czarnych dziur detektory potrafią sięgać dalej, gdyż takie zdarzenia generują znacznie silniejsze sygnały.

Polska ma swój udział w odkryciach i badaniach fal grawitacyjnych. W międzynarodowych badaniach reprezentuje nas zespół nazwany Virgo-Polgraw, skupiający naukowców z kilkunastu krajowych instytucji.

W euforii po odkryciu mówiono o przełomie w badaniach, o powstaniu "astronomii wieloaspektowej". Niewątpliwie astronomowie uzyskali dzięki falom grawitacyjnym nowe narzędzie do badania Wszechświata, inne niż obserwacje fal elektromagnetycznych i nieczułe na pewne ograniczenia, które przeszkadzają falom elektromagnetycznym (np. światłu) w przemieszczaniu się w kosmosie (np. absorpcja czy rozpraszanie przez obłoki materii międzygwiazdowej).

Czy fale grawitacyjne będą kiedyś wykorzystywane w praktyce? Raczej nikt nie umie obecnie odpowiedzieć na to pytanie. Ale można wskazać, iż niektóre inne przewidywania teorii względności są w praktyce wykorzystywane we współczesnych technologiach, z których np. GPS nie działałby bez uwzględnienia efektów opisywanych przez teorię względności.

Krzysztof Czart