Świat się pomarszczył

Tomasz Rożek

GN 08/2016 |

publikacja 18.02.2016 00:15

No to mamy ostateczne potwierdzenie teorii Einsteina. Po wielu latach poszukiwań zarejestrowano tzw. fale grawitacyjne. Ludzka wyobraźnia może mieć kłopoty z wyobrażeniem sobie tego zjawiska, ale warto spróbować. Odkrycie zmarszczek przestrzeni jest dla kosmologów niezwykle ważne. A dla nas ważne jest to, że dokonali tego Polacy!

Laboratorium LIGO LIGO /HANDOUT/epa/pap Laboratorium LIGO

Dawno, dawno temu, w odległej galaktyce... Od tych słów zaczynał się każdy epizod kultowej serii „Gwiezdnych wojen”. Ale równie dobrze od tych słów może się zacząć artykuł o najnowszym odkryciu. A więc około 1,3 mld lat temu w odległości 1,3 mld lat świetlnych od nas doszło do kolizji dwóch ogromnych czarnych dziur. Choć słowo „ogromnych” chyba nie jest najlepsze. Nie wiadomo, jaki rozmiar mają czarne dziury, można jednak policzyć ich masę. A te dwie były naprawdę ciężkie, każda kilkadziesiąt razy cięższa niż nasze Słońce. Kolizja była rzeczywiście kosmiczna, a jej konsekwencje dotarły nawet do nas. W wyniku zderzenia powstała jedna superciężka czarna dziura, ale nie ona jest dla nas interesująca. W wyniku tej kolizji powstały zmarszczki przestrzeni. Kilka miesięcy temu udało się je wykryć.

Są czy ich nie ma?

Fale grawitacyjne na mojej prywatnej liście „najtrudniej wyobrażalnych fenomenów przyrody” zajmują chyba pierwsze miejsce. Albert Einstein ponad 100 lat temu wyliczył, że powinny istnieć. Ze sformułowanej przez niego ogólnej teorii względności wynika, że ruch obiektów obdarzonych masą jest źródłem rozchodzących się w przestrzeni fal grawitacyjnych (lub inaczej – choć nie mniej abstrakcyjnie – zaburzeń czasoprzestrzennych). Jak to sobie wyobrazić? Ha! To prawdziwe wyzwanie. Tego (chyba) nie da się wyobrazić. Ale można próbować. Może w tym pomóc jezioro, bezwietrzna pogoda i kamień. Gdy do „płaskiej” jak stół wody wrzucimy kamień, na jej powierzchni powstaną fale. W przypadku fal grawitacyjnych zamiast wody jest przestrzeń, a zamiast kamienia poruszające się obiekty.

Choć to totalna abstrakcja, masa zagina przestrzeń, a masa, która szybko się porusza, powoduje, że przestrzeń faluje. Im większa masa, im większy ruch, tym większe fale. I choć fale na wodzie dość łatwo zobaczyć, te, które powstają w przestrzeni (fale grawitacyjne), to niezwykle subtelne zjawiska. W książce „Zmarszczki na kosmicznym morzu” (Ripples on a Cosmic Sea: The Search for Gravitational Waves) prof. David Blair, australijski fizyk, poszukiwanie fal grawitacyjnych porównuje do nasłuchiwania wibracji wywołanych przez pukanie do drzwi z odległości 10. tys. kilometrów. Inni twierdzą, że detektory zdolne wykryć fale grawitacyjne powinny być zdolne zarejestrować wstrząsy sejsmiczne wywołane przez upadek szpilki po drugiej stronie naszej planety. Nie ma się więc co dziwić, że mimo wielu lat prób dotychczasowe wyniki poszukiwań nie zadowalały astrofizyków i kosmologów. Co prawda zdarzało się w przeszłości, że naukowcy raportowali o odkryciu jakichś nieregularności, ale nigdy nie były one na tyle oczywiste, żeby można było odtrąbić odkrycie. Skąd w ogóle pomysł, że jakiekolwiek fale istnieją? Po pierwsze ich istnienie wynika z teorii względności Einsteina. A po drugie… w 1974 roku dwóch radioastronomów z amerykańskiego Uniwersytetu w Princeton (Joseph Taylor i Russel Hulse) obserwowało układ dwóch krążących wokół siebie gwiazd (PSR1913+16). Dokładna analiza ich ruchu jasno wskazywała na to, że gwiazdy tracą energię. Gdy uczeni zarejestrowane dane „wsadzili” do odpowiednich wzorów, okazało się, że ten ubytek idealnie da się wytłumaczyć istnieniem fal grawitacyjnych. Gwiazdy część swojej energii traciły na „produkcję” fal przestrzeni. Totalna abstrakcja, ale świat nauki tryumfował. Mimo że samych fal nie zaobserwowano, za pośrednie potwierdzenie ich istnienia autorzy dostali w 1993 roku Nagrodę Nobla. Uzasadnienie Komitetu Noblowskiego brzmiało: „Za odkrycie nowego typu pulsara, odkrycie, które otwiera nowe możliwości badania grawitacji”.

Podwójne potwierdzenie

Aktywne poszukiwanie fal trwało od lat 60. XX wieku. W osta- tnich kilkunastu latach powstało na świecie wiele laboratoriów, które nasłuchują subtelnych drgań przestrzeni. Jak? Sposób jest prosty, choć jego realizacja ogromnie trudna. Najlepiej wyjaśnić to na konkretnym przykładzie. Od prawie 15 lat działa w USA Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory, w skrócie LIGO, czyli Laserowe Obserwatorium Interferometryczne Fal Grawitacyjnych.

Z lotu ptaka wygląda jak wielka litera L, której ramiona to dwie rury o długości 4 km każda, stykające się końcami pod kątem prostym. Każde z ramion tworzy betonowa rura o średnicy 2 metrów. W jej wnętrzu – jak w bunkrze – znajduje się druga rura – ze stali nierdzewnej, która jest granicą pomiędzy światem zewnętrznym a bardzo wysoką próżnią. Z miejsca, w którym rury stykają się, „na skrzyżowaniu”, dokładnie w tym samym momencie w kierunku końców tuneli wysyłane są wiązki lasera. Ich celem są zwierciadła umieszczone na końcu każdej z rur. Odbijane przez zwierciadła tam i z powrotem około 100 razy promienie wpadają z powrotem do centralnego laboratorium i tam zostają do siebie porównane. Dzięki zjawisku interferencji możliwe jest wyliczenie z wielką dokładnością różnicy przebytych przez obydwie wiązki światła dróg. A drogi te powinny być identyczne, no chyba że… w czasie pomiaru przez Ziemię – podobnie jak fala na powierzchni wody – przejdzie fala grawitacyjna. Wtedy jedno z ramion będzie nieco dłuższe, a efekt natychmiast zostanie wychwycony w czasie porównania dwóch wiązek. Żeby wyobrazić sobie precyzję pomiaru, warto dodać, że nawet największe zaburzenia zmienią długość ramion o mniej niż jedną tysięczną część średnicy protonu (!). To mniej więcej tak, jak gdyby mierzyć zmiany średnicy Drogi Mlecznej (którą ocenia się na ok. 100 tys. lat świetlnych) z dokładnością do jednego metra. Lustra na końcu każdego z tuneli są idealnie osadzone i wytłumione od przypadkowych drgań (jadący samochód, silniejszy wiatr, drgania sejsmiczne). Ale aby nie mieć żadnych wątpliwości, zdecydowano się na budowę nie jednej, ale dwóch instalacji, w Handford w stanie Waszyngton i w Livingston w stanie Luizjana. Są identyczne, choć oddalone od siebie o ponad 3 tys. kilometrów. Nawet gdy w jednym LIGO zwierciadło nieoczekiwanie zadrga, niemożliwe, by to samo w tej samej chwili stało się ze zwierciadłem bliźniaczej instalacji. Gdy jednak przez Ziemię przejdzie z prędkością światła fala grawitacyjna, zmiany, jakie wywoła, zajdą w obydwu instalacjach dokładnie w tej samej chwili. I tak się stało. Kilka miesięcy temu (konkretnie we wrześniu) obydwie instalacje coś zarejestrowały. Pomiar potwierdziło europejskie laboratorium VIRGO. Dokładna analiza potwierdziła przypuszczenia. Mamy fale grawitacyjne!

To Polacy!

Ogromnie cieszy, że autorami odkrycia – chyba można tak powiedzieć – są Polacy. W międzynarodowym zespole badaczy grupa, którą kieruje prof. Andrzej Królak z Instytutu Matematycznego Polskiej Akademii Nauk, była odpowiedzialna za analizę dostarczonych przez wspomniane laboratoria danych. Naukowcom trochę nie wypada spekulować, mnie wręcz przeciwnie. Myślę, że w ciągu kilku, góra kilkunastu najbliższych lat możemy mieć Nobla z fizyki. Odkrycie fal grawitacyjnych jest niezwykle ekscytujące i ważne. Nie chodzi tylko o to, że po raz kolejny potwierdzono słuszność teorii Einsteina. Cała nasza wiedza o kosmosie pochodzi z obserwacji fal elektromagnetycznych, czyli np. światła widzialnego, podczerwieni czy promieni gamma. Fale grawitacyjne to zupełnie inny rodzaj fal. Na łąkę, góry, morze możemy patrzeć oczami, ale możemy też słuchać. Oczy nie rejestrują dźwięków, a ucho kolorów. Te dwa zmysły dają nam zupełnie inne informacje o świecie, który nas otacza. Dotychczas kosmos poznawaliśmy tylko jednym zmysłem. Od dzisiaj mamy do dyspozycji drugi, niezależny od pierwszego. Dzięki niemu będziemy mogli „obserwować” zjawiska, o których dotychczas nie mieliśmy bladego pojęcia, „zaglądać” tam, gdzie do dzisiaj niczego nie widzieliśmy. Na przykład w bardzo odległą przeszłość. Przecież wszechświat wciąż drga w wyniku Wielkiego Wybuchu, czyli wydarzenia, które zapoczątkowało nasz świat. A może w końcu „zobaczymy” ciemną materię? Coś, co istnieje, ale czego nie widzimy. Może w końcu dowiemy się, co stanowi przeważającą większość masy wszechświata?