Fale grawitacyjne – nowe narzędzie do obserwacji Wszechświata

Zaobserwowaliśmy fale grawitacyjne. Zrobiliśmy to! – powiedział David Reitze, fizyk z Uniwersytetu Florydy i szef Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO).

Naukowy świat obiegła niedawno sensacyjna informacja o potwierdzeniu istnienia fal grawitacyjnych. Ten przewidziany teoretycznie byt, od wielu lat spędzał sen z powiek uczonym, którzy szukali sposobu detekcji delikatnego zjawiska. No bo jak zmierzyć efekt, który fizycznie przekłada się na liniowe deformacje mniejsze od wymiarów protonu? Okazuje się jednak, że można zbudować urządzenie, które pozwala nawet na tak dokładne pomiary. Ale zacznijmy od początku.

Z ogólnej teorii względności Alberta Einsteina wynika, że siły przyciągania pomiędzy ciałami niebieskimi wynikają z zakrzywienia czasoprzestrzeni wokół dużych mas. Z teorii tej wynika również, że pole grawitacyjne powinno propagować swoiste fale na podobnej zasadzie, jak pole elektromagnetyczne propaguje fale elektromagnetyczne. W wymiarze praktycznym fale grawitacyjne, bo o nich mowa, są zmarszczkami przestrzeni i wszystkiego materialnego, co się w niej znajduje. Jeżeli zatem, gdzieś w odległych krańcach Wszechświata dojdzie do spektakularnego kataklizmu, jak chociażby połączenie czarnych dziur (wykorzystane w przełomowym eksperymencie), rozbłysk gamma, czy wybuch supernowej, wywołane nim fale grawitacyjne unoszą informację o wydarzeniu we wszystkich kierunkach, w tym ku Ziemi.

ligo-16

Efekt przejścia fali grawitacyjnej można w dużym uproszczeniu porównać do rzucenia kamienia na spokojną taflę wody, na której powierzchni dryfuje cieniutka warstewka benzyny. Wywołana kamieniem fala porusza się we wszystkie strony, dociera do plamy powodując jej chwilową deformację, po czym woda uspokaja się, a plama wraca do wcześniejszego kształtu. Jeszcze inaczej można sobie to zjawisko wyobrazić jako wywołane solidnym tupnięciem drganie ustawionego na podłodze prostopadłościanu z przezroczystego żelu balistycznego (symbolizującego trójwymiarową przestrzeń), w którym zatopiono kolorową kulkę (symbolizująca np. naszą planetę) wykonaną z tego samego materiału. Podczas drgań żelu obserwujemy deformację kulki, która po wygaśnięciu drgań wraca do poprzedniego kształtu.

Powstanie fal grawitacyjnych, ich wędrówka w przestrzeni i oddziaływanie z materią (film w wersji angielskiej)

Urządzenie, które pozwoliło na detekcję fal grawitacyjnych wykorzystało zjawisko interferencji, czyli nakładania się fal świetlnych, generowanych przez silny laser. W dwie, długie na 4 kilometry wysokopróżniowe rury, ustawione pod kątem prostym, wysyłany był promień światła, który w specjalnym lustrze rozdzielał się na dwie wiązki, biegnące ku końcom rur, aby odbić się i wrócić do punktu wyjścia. W skalibrowanym do pomiaru urządzeniu obie odbite wiązki wzajemnie się wygaszały (dolina jednej fali spotykała się z grzbietem drugiej). Najmniejsze odkształcenie długości rur, spowodowane przejściem fali grawitacyjnej, powodowało wytrącenie układu ze stanu równowagi i pojawienie się błysku światła. Aby jednak potwierdzić odkrycie fali grawitacyjnej, potrzebne było identyczne urządzenie kontrolne, ustawione kilka tysięcy kilometrów dalej. W praktyce spodziewano się, że po detekcji fali w jednym z nich, za niewielki ułamek sekundy to samo zjawisko zarejestruje drugie. I tak się też stało.

Wyjaśnienie zasady działania interferometru LIGO

Fale grawitacyjne, po świetle widzialnym, falach radiowych i neutrinach, stanowią kolejne potencjalne źródło informacji o wydarzeniach we Wszechświecie, co w niedługim czasie powinno spowodować powstanie nowej gałęzi nauki o kosmosie, tak zwanej astronomii fal grawitacyjnych. Stąd wielkie znaczenie niedawnego odkrycia (w którym brali udział także Polacy), nie tylko z racji potwierdzenia przewidywań Einsteina 100 lat po publikacji jego genialnej teorii, ale także ze względu na położenie podwalin pod rozwój zupełnie nowych technik obserwacyjnych, co w przyszłości prawdopodobnie zaowocuje kolejnymi odkryciami z gatunku tych “co nie śniły się nawet filozofom”.

Więcej na stronie projektu LIGO: www.ligo.caltech.edu

Przemysław Rudż

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *