Gdy pięć lat temu po raz pierwszy wykryto fale grawitacyjne, cieszyli się nie tylko fizycy teoretyczni (dla których było to kolejne potwierdzenie teorii Einsteina), ale i astronomowie. Wiele obiektów we Wszechświecie jest bowiem trudno zaobserwować za pomocą teleskopów odbierających fale elektromagnetyczne. Światło, podczerwień, promieniowanie rentgenowskie i gamma, fale radiowe – wszystko to może zostać zablokowane przez obłoki pyłu albo wessane przez grawitację czarnych dziur.

Jednak takie zjawiska nie stanowią przeszkody dla fal grawitacyjnych. Do czego może się przydać ich precyzyjne mierzenie?

– Aby badać supermasywne czarne dziury, tworzenie się układów podwójnych gwiazd neutronowych, analizować pulsary, a nawet odnaleźć echa Wielkiego Wybuchu. Aby zrozumieć ewolucję Wszechświata, sposób formowania się galaktyk i zajrzeć w głąb wybuchów supernowych – wylicza dr Adam Zadrożny zajmujący się astrofizyką fal grawitacyjnych.

Jak wykryć fale grawitacyjne

Fale grawitacyjne to przemieszczające się z prędkością światła odkształcenia czasoprzestrzeni – swoiste zmarszczki na strukturze Wszechświata. Chociaż ich istnienie wynika bezpośrednio z opublikowanej w 1916 r. ogólnej teorii względności, to na potwierdzenie musieliśmy czekać niemal sto lat.

– Fizyka i matematyka pokazywały jasno, że fale grawitacyjne muszą istnieć. Jednak sprawdzenie tego było możliwe dopiero dzięki rozwojowi techniki umożliwiającemu budowę wystarczająco czułych i precyzyjnych przyrządów, tzw. interferometrów – mówi prof. Krzysztof Piotrzkowski z Centrum Kosmologii, Fizyki Cząstek Elementarnych i Fenomenologii Uniwersytetu w Louvain-la-Neuve, zajmujący się badaniem fal grawitacyjnych.

Gdy fala grawitacyjna przechodzi przez człowieka, dochodzi do jego miarowego kurczenia się i rozkurczania, choć są to zmiany w niezwykle małej skali. Podobnie taka fala działa na każdy inny obiekt w czasoprzestrzeni, w tym na naszą planetę. Dlatego dwa główne eksperymenty badające ten fenomen – LIGO i VIRGO – nie muszą być wpatrzone w niebo, lecz działają przy ziemi.

Amerykański LIGO to dwie identyczne instalacje, które dzielą od siebie 3 tys. km.  Detektor z pozoru wygląda niezbyt ciekawie. Ot, dwie betonowe rury średnicy dwóch metrów i długości 4 km, połączone ze sobą pod kątem prostym. Interesująco robi się, gdy zajrzy się do środka.

Tam, w miejscu łączenia ramion detektora, wewnątrz stalowej rury, w której panuje niemal całkowita próżnia, umiejscowiony jest laser i rozdzielacz wiązek. Natomiast na końcach rur umieszczone zostały zwierciadła. Rozdzielacz rozszczepia wiązkę laserową i kieruje ją jednocześnie do obu ramion. Promienie odbijają się od luster i wracają na płytkę rozdzielającą promień lasera.

Cała procedura powtarzana jest kilkaset razy. Jeśli nic nie zakłóciło przebiegu wiązki, oba promienie powrócą w dokładnie tym samym momencie. Jeśli jednak doszło do przejścia fali grawitacyjnej, pomiar z jednego z ramion ulega zmianie, a następnie analogiczna zmiana dostrzegalna jest w drugim interferometrze.

Jak wyłowić fale grawitacyjne z szumu

– Dzięki interferometrom jesteśmy w stanie dokonać bardzo precyzyjnych pomiarów. W przypadku pierwszego udanego wykrycia fal była to zmiana, którą można przyrównać do zwiększenia się dystansu między Księżycem a Ziemią o średnicę jądra atomu – mówi dr Zadrożny związany z projektem LIGO od 2010 r.

14 września 2015 r. detektory LIGO zarejestrowały sygnał GW150914, czyli fale grawitacyjne będące wynikiem połączenia się dwóch czarnych dziur o masie 29 i 36 Słońc, do którego doszło około miliarda lat temu. Był to też pierwszy bezpośredni dowód naukowy na istnienie czarnej dziury.

Skąd jednak wiadomo, że tym, co spowodowało różnicę w pomiarach, była właśnie fala grawitacyjna, a nie jakieś inne zakłócenie? – Po pierwsze sygnał powinien się pojawić we wszystkich trzech detektorach, dwóch LIGO i znajdującym się pod Pizą nieco mniejszym VIRGO. Po drugie sygnał od fal grawitacyjnych ma charakterystyczny kształt, bardzo trudny do wytworzenia przez szum.

Po trzecie dla każdego przypadku wykonujemy estymacje tła i określamy, jakie jest prawdopodobieństwo wytworzenia danego sygnału przez szum. Dodatkowo charakteryzujemy wszystkie źródła szumów pojawiające się w detektorze, nad czym pracuje cały sztab ludzi. Np. na wykresach z VIRGO, umieszczonego na terenach rolniczych, dokładnie widać wzmagający się ruch na polach. Umiemy to wszystko odfiltrować – wyjaśnia dr Zadrożny.

– Nie zapominajmy też o innych równolegle prowadzonych obserwacjach dokonywanych dzięki odmiennym instrumentom. Na przykład zderzenie dwóch gwiazd neutronowych dostrzeżone przez detektory LIGO i VIRGO 17 sierpnia 2017 r. zostało zarejestrowane również dzięki obserwacji w zakresie fal elektromagnetycznych.

To jednoznacznie udowodniło, że faktycznie potrafimy rejestrować fale grawitacyjne i stało się przyczynkiem do szybkiego przyznania w 2017 r. Nagrody Nobla z fizyki trzem naukowcom od początku pracującym przy projekcie: Reinerowi Weissowi, Barry’emu C. Barishowi oraz Kipowi Thorne’owi – dodaje prof. Piotrzkowski.

Jaki kształt ma czarna dziura

Materiału do analizy jest coraz więcej. W ciągu ostatnich lat detektory zarejestrowały wiele przypadków zderzenia się czarnych dziur, gwiazd neutronowych lub czarnych dziur z gwiazdami neutronowymi. Szybko rozwijająca się astronomia grawitacyjna przynosi nam coraz więcej zaskakujących odkryć.

Jednego z nich dokonał niedawno zespół badaczy pod kierownictwem dr. Juana Calderóna Bustillo z Uniwersytetu Santiago de Compostela. Wykazali oni, że czarna dziura powstała ze zderzenia dwóch innych emituje fale grawitacyjne pozwalające poznać nie tylko jej masę, ale i kształt.

Jak to możliwe? „Kiedy dwie oryginalne, »macierzyste« czarne dziury mają różne rozmiary, ostateczna czarna dziura początkowo wygląda jak kasztan. Emituje intensywniejsze fale grawitacyjne przez swoje najbardziej zakrzywione regiony” – czytamy w artykule.   

Kolejne prace naukowe publikowane są niemal codziennie, mimo że oba detektory po zakończeniu trzeciej wspólnej kampanii obserwacyjnej są właśnie w trakcie ulepszania. Nic dziwnego, że pojawiają się projekty kolejnych instalacji badawczych.

W USA ma powstać największy na świecie detektor naziemny zwany Cosmic Explorer. Obserwatorium, podobnie jak LIGO, ma przyjąć kształt litery L, jednak ramiona tej litery będą mieć długość aż 40 kilometrów! Detektor ma być wyjątkowo czuły i zdolny rejestrować miliony zdarzeń kosmicznych dzięki zwiększonej amplitudzie notowanych sygnałów i większym możliwościom wygłuszania zakłóceń. Powinien powstać na początku lat 30. tego stulecia.

Nowe nadzieje na dokładniejsze zbadanie fal grawitacyjnych

Europejczycy prowadzą dwa równoległe projekty związane z rejestracją fal grawitacyjnych. Pierwszym jest Teleskop Einsteina.

Za projektem stoi konsorcjum około 40 europejskich instytucji badawczych oraz uniwersytetów, w tym kilka jednostek polskich, m.in. Narodowe Centrum Badań Jądrowych, Uniwersytet Warszawski oraz Centrum Astronomiczne im. Mikołaja Kopernika. Plany zakładają budowę układów interferometrów o długości ramion ok. 10 km. Europejczycy chcą umieścić całość pod ziemią, co pozwala na lepsze odseparowanie od zakłóceń zewnętrznych.

Detektory trzeciej generacji byłyby wyposażone m.in. w system kriogeniczny chłodzący główne elementy optyczne do temperatury 10–20 stopni powyżej zera absolutnego, nowe technologie kwantowe zmniejszające fluktuacje światła oraz zestaw rozwiązań ograniczających poziom szumu.

Naukowcy spodziewają się, że dzięki temu byłoby możliwe dziesięciokrotne zwiększenie dotychczasowej czułości teleskopów, a co za tym idzie – możliwe stałyby się obserwacje sygnałów fal grawitacyjnych pochodzących z całego dostępnego obserwacjom Wszechświata.

– Projekt będzie procedowany przez Europejskie Strategiczne Forum na Rzecz Infrastruktury Badawczej, które opiniuje finansowanie oraz lokalizację największych ośrodków badawczych na Starym Kontynencie. Nie wątpię, że sam projekt teleskopu zostanie zaopiniowany pozytywnie, bo wyścig o palmę pierwszeństwa i rozwój nowego typu astronomii jest poważny.

Pozostaje pytanie, gdzie konkretnie powstanie. Stawiam na pogranicze Belgii i Holandii – czas pokaże, czy moje przewidywania się sprawdzą – mówi prof. Piotrzkowski. Jeśli wszystko pójdzie zgodnie z planem, Teleskop Einsteina mógłby zacząć działać w 2035 r.

Astronomowie na tropie tajemnic grawitacji

Jednak najbardziej innowacyjnym projektem związanym z astronomią opartą na falach grawitacyjnych jest drugi europejski projekt – LISA. To składające się z trzech współdziałających satelitów obserwatorium astronomiczne umieszczone na orbicie słonecznej. Satelity mają sformować trójkąt równoboczny, którego każde ramię będzie miało długość 5 mln km! Pierwsza z nich ma trafić na orbitę w 2034 r.

Obserwatorium będzie uzupełnieniem infrastruktury naziemnej. – Pozwoli ono na obserwację zupełnie nowych zjawisk w falach grawitacyjnych niedostępnych dla detektorów naziemnych, takich jak pary białych karłów czy układy podwójne masywnych czarnych dziur – tłumaczy dr Zadrożny.

Są też szanse na dokonanie bardziej fundamentalnych odkryć. – Będzie można bardzo precyzyjnie określić tzw. stałą Hubble’a, czyli prędkość rozszerzania się Wszechświata. Da nam to możliwość szczegółowego badania jego narodzin, ale też przebiegu ewolucji i przewidzenia tego, jak się zakończy. Gra toczy się zatem o kompletną wizję. Kto tego dokona, zdobędzie w fizyce wszystko – podsumowuje prof. Krzysztof Piotrzkowski.