Potwierdzenie istnienia fal grawitacyjnych - przewidzianych przez Alberta Einsteina w 1916 r. - to odkrycie zasługujące na Nobla. Udało się to zespołowi badaczy - w tym także Polakom - biorącym udział w międzynarodowym eksperymencie LIGO. Fale grawitacyjne wykryli 14 września 2015 r.,  ale poinformowali o tym dopiero teraz, po sprawdzeniu wszystkich danych.

Każdy z nas wie, że to grawitacja sprawia, iż stoimy na ziemi, Ziemia obiega Słońce, a coś rzuconego w górę najczęściej spada. Z punktu widzenia fizyki grawitacja to kształt czasoprzestrzeni, czyli wszystkiego, co nas otacza. Łatwiej będzie to zrozumieć, gdy skorzystamy z pewnej analogii. Zamiast mówić o czterowymiarowej czasoprzestrzeni (trzy wymiary przestrzenne plus czas) wyobraźmy sobie dwuwymiarową płaszczyznę, taką jak naciągnięta gumowa membrana. Jeśli położymy na niej ciężką kulę, powierzchnia się ugnie i mniejsze kulki znajdujące się w pobliżu zostaną „przyciągnięte” do większej. To samo dzieje się we wszechświecie - tyle że w czterech wymiarach, a membraną jest właśnie czasoprzestrzeń.

Żeby zrozumieć fale grawitacyjne, musimy nieco zmienić analogię. Zamiast gumowej membrany wyobraźmy sobie powierzchnię jeziora, na której unosi się kilka okrągłych plam oleju (mało ekologicznie, ale to tylko eksperyment myślowy). Wrzucamy do wody kamień i patrzymy na rozchodzące się fale. Gdy docierają do plam oleju, na chwilę zmienia się odległość między nimi oraz ich kształt - z okrągłego na jajowaty.

Fala na wodzie zniekształcała obiekty, które znajdowały się na dwuwymiarowej powierzchni. Podobnie może zniekształcać obiekty - od gwiazd po ludzi i atomy - fala grawitacyjna w przestrzeni czterowymiarowej.  Gdy przechodzi, lekko je rozciąga albo skraca, ale po chwili wszystko wraca do normy. Takie fale powstają wtedy, gdy gdzieś we wszechświecie szybko porusza się obiekt o dużej masie. Im większa masa i im szybszy jej ruch, tym przestrzeń bardziej się marszczy - tak samo jak większa fala na wodzie powstanie, gdy wrzucimy do niej większy kamień.

Historia fal grawitacyjnych ma ok. 100 lat. Próby ich złapania trwają od lat kilkudziesięciu. Nie jest to łatwe, ponieważ wydłużanie i skracanie się obiektów pod ich wpływem jest niezwykle subtelne. W książce „Zmarszczki na kosmicznym morzu” David Blair porównuje poszukiwanie fal grawitacyjnych do nasłuchiwania wibracji wywołanych przez pukanie do drzwi z odległości 10 tys. km. Detektory zdolne wykryć fale grawitacyjne powinny zarejestrować efekt porównywalny z upadkiem szpilki po drugiej stronie naszej planety.

Jak wykryć takie zjawisko? Dokonało tego największe z dotychczas zbudowanych obserwatoriów fal grawitacyjnych, zwane LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory). Instalacja, która z lotu ptaka wygląda jak wielka litera L, składa się z dwóch rur długości 4 km każda, stykających się ze sobą końcami pod kątem prostym. We wnętrzu każdej rury znajduje się kolejna rura ze stali nierdzewnej, która jest granicą pomiędzy światem zewnętrznym a bardzo wysoką próżnią. Z laboratorium na styku rur w tym samym momencie wysyłane są wiązki laserowe. Na końcach rur są zwierciadła, które odbijają światło. Wiązki laserowe są odbijane w rurach tam i z powrotem ok. 100 razy, a potem wpadają do centralnego laboratorium i są ze sobą starannie porównywane.

Uczeni mogą obliczyć z wielką dokładnością, czy obydwie wiązki przebyły te same drogi. A drogi te powinny być identyczne... Chyba że w czasie pomiaru przez Ziemię przejdzie fala grawitacyjna. Wtedy jedno z ramion LIGO będzie nieco dłuższe. O ile? Różnica to nie więcej niż jedna tysięczna średnicy protonu! To mniej więcej tak, jak byśmy mierzyli zmiany średnicy Drogi Mlecznej (ok. 120 tys. lat świetlnych) z dokładnością do jednego metra.

Aby nic z otoczenia - drgania gruntu, huk spowodowany przez lecący odrzutowiec itp. - nie zakłóciło pomiaru, uczeni zbudowali nie jedną, ale dwie bliźniacze instalacje LIGO oddalone od siebie o ponad 3 tys. km. Jedna jest w Handford w stanie Waszyngton, a druga w Livingston w stanie Luizjana. Tylko fala grawitacyjna powstała wskutek bardzo gwałtownego zdarzenia (takiego jak połączenie się dwóch czarnych dziur) będzie w stanie w tym samym momencie spowodować powstanie sygnału w dwóch instalacjach.

Taki sygnał dotarł do Ziemi 14 września 2015 r. Jako pierwszy zauważył go 32-letni włoski fizyk Marco Drago, który analizował dane z detektorów LIGO w Niemczech. Potem w analizy włączyli się uczeni z całego świata. Więcej informacji można znaleźć na oficjalnej stronie LIGO. W badaniach brali udział polscy naukowcy skupieni w grupie POLGRAW, której liderem jest profesor Andrzej Królak z Instytutu Matematycznego PAN w Warszawie. W skład grupy wchodzą naukowcy z Instytutu Matematycznego PAN, Uniwersytetu Warszawskiego, Uniwersytetu Zielonogórskiego, Uniwersytetu w Białymstoku, Centrum Astronomicznego PAN, oraz Narodowego Centrum Badań Jądrowych. Więcej informacji - na stronie Uniwersytetu Warszawskiego.