Fale grawitacyjne – dekada obserwacji zmarszczek czasoprzestrzeni
Minęło już dziesięć lat od pierwszej detekcji „zmarszczek czasoprzestrzeni”. W tym czasie detektory fal grawitacyjnych zarejestrowały setki kosmicznych kataklizmów – od narodzin i zderzeń czarnych dziur po zdarzenia odpowiedzialne za powstawanie ciężkich pierwiastków – wylicza astrofizyk prof. Michał Bejger.
Chociaż fale grawitacyjne istnieją od miliardów lat, ludzkość po raz pierwszy zaobserwowała je 14 września 2015 roku w amerykańskich obserwatoriach LIGO, we współpracy z europejskim Virgo. Informacja o odkryciu została potwierdzona kilka miesięcy później, a w 2017 roku badania teoretyczne w tej dziedzinie nagrodzono Nagrodą Nobla. Od tego czasu naukowcy nie spoczęli na laurach – obecnie możemy obserwować przepływające przez Wszechświat kolejne zmarszczki czasoprzestrzeni praktycznie co kilka dni.
Drżące ciała w kosmosie
Fale grawitacyjne są zaburzeniami czasoprzestrzeni, które powstają w wyniku najbardziej gwałtownych zdarzeń w kosmosie, takich jak kolizje masywnych obiektów poruszających się z ogromnym przyspieszeniem. Energia z takich układów rozchodzi się we wszystkich kierunkach z prędkością światła, tymczasowo odkształcając czasoprzestrzeń i zmieniając odległości między cząstkami materii – gwiazd, planet, a nawet ludzi – oraz tempo przepływu czasu między tymi obiektami.
Na Ziemi zmiany te są minimalne i niewyczuwalne dla naszych zmysłów. Dlatego powstały obserwatoria fal grawitacyjnych – dwa w ramach LIGO w USA, oraz po jednym w europejskim Virgo we Włoszech i japońskim KAGRA. Są to interferometry o długości kilku kilometrów, mierzące nawet najmniejsze zmiany odległości z niezwykłą precyzją. Dzięki ich współpracy naukowcy mogą określić źródło fal, które często pochodzą z galaktyk oddalonych od nas o miliardy lat świetlnych.
„Detekcja fal grawitacyjnych dała zupełnie nową perspektywę w badaniach kosmosu” – podkreśla prof. Michał Bejger z Centrum Astronomicznego im. Mikołaja Kopernika PAN i Włoskiego Instytutu Fizyki Jądrowej.
Fizyka od nowa – badanie osnowy rzeczywistości
– Do tej pory obserwowaliśmy Wszechświat głównie dzięki cząstkom elementarnym, takim jak fotony promieniowania elektromagnetycznego, cząstki promieniowania kosmicznego czy neutrina. Fale grawitacyjne pozwalają badać dynamiczne zmiany samej czasoprzestrzeni, wywołane ruchem mas. Dzięki temu mamy bezpośredni dostęp do „osnowy” rzeczywistości, a nie tylko obiektów w niej zanurzonych – wyjaśnia prof. Bejger.
Astronomia wieloaspektowa
Nowe podejście umożliwia rozwój tzw. astronomii wieloaspektowej (multi-messenger). Kiedy zlokalizujemy źródło fal, możemy skierować w jego stronę teleskopy i obserwować to samo zjawisko w różnych pasmach promieniowania elektromagnetycznego. Odwrotnie, obserwatorzy promieniowania elektromagnetycznego mogą wskazać źródła, w których warto szukać fal grawitacyjnych. Dzięki temu uzyskujemy pełniejszy obraz kosmicznych kataklizmów – nie tylko je widzimy, ale i „słyszymy”.
Podglądanie czarnych dziur
Badania fal grawitacyjnych pozwalają również testować ogólną teorię względności Einsteina. Do tej pory Wszechświat zachowuje się zgodnie z przewidywaniami teorii.
– Badanie fal grawitacyjnych to pierwsze bezpośrednie potwierdzenie istnienia czarnych dziur. Wcześniej mieliśmy jedynie pośrednie dowody – mówi prof. Bejger. Fale grawitacyjne pokazały, jak ruch i łączenie się czarnych dziur dynamicznie zakrzywia czasoprzestrzeń, umożliwiając precyzyjne pomiary ich mas, tempa rotacji i innych parametrów.
Kosmiczne „fabryki” pierwiastków
Obserwacje zderzeń gwiazd neutronowych wskazują, że te wydarzenia prowadzą do powstawania nowych czarnych dziur lub masywnych gwiazd neutronowych, a także do tworzenia ciężkich pierwiastków, takich jak złoto i platyna – nasza biżuteria powstała w największych kosmicznych wybuchach.
Dzięki falom grawitacyjnym obserwujemy również ewolucję masywnych obiektów: jak pary czarnych dziur łączą się w coraz większe struktury, w tym supermasywną Sgr A* w centrum naszej Galaktyki.
Ziemskie szumy i kosmiczne sygnały
Częstotliwości fal wykrywanych przez LIGO i Virgo mieszczą się w zakresie słyszalnym dla człowieka (10–2000 Hz). Prof. Bejger porównuje, że sygnał zderzenia czarnych dziur brzmi jak „ćwierknięcie”.
Największym wyzwaniem jest jednak oddzielenie kosmicznych sygnałów od ziemskiego „szumu”, wywołanego m.in. burzami, drganiami sejsmicznymi, ruchem ulicznym czy stukaniem kruków w aparaturę detektora. Pomimo tego, co kilka dni interferometry w USA, Włoszech i Japonii rejestrują te same zaburzenia pochodzące z bardzo masywnych i odległych źródeł – dowód na obecność fal grawitacyjnych.
Nowe horyzonty
W przyszłości naukowcy planują wykorzystać fale grawitacyjne do badania supernowych, pulsarów, a nawet ciemnej materii. Obecnie działające obserwatoria to dopiero początek. W Indiach powstaje kolejny detektor LIGO, a ESA planuje w 2037 roku misję LISA – trzy satelity oddalone o miliony kilometrów, które będą w stanie wykrywać fale o znacznie niższych częstotliwościach. Dzięki temu możliwe będzie badanie kolizji supermasywnych czarnych dziur oraz fal powstałych tuż po Wielkim Wybuchu.
Polscy naukowcy aktywnie uczestniczą w rewolucji fal grawitacyjnych, specjalizując się w analizie danych, rozwoju infrastruktury detektorów i dostarczaniu mocy obliczeniowej, m.in. dzięki Cyfronetowi. Zaangażowani są też w budowę europejskiego podziemnego detektora – Teleskopu Einsteina, który umożliwi detekcję wszystkich sygnałów emitowanych przez gwiazdowe czarne dziury od początku Wszechświata. „Przewiduje się, że w ciągu roku wykryjemy miliony takich sygnałów” – zapowiada prof. Bejger.
Fale grawitacyjne a codzienność nauki
Największe wyzwania w badaniach fal grawitacyjnych są prozaiczne: finansowanie i polityka. Prof. Bejger zauważa, że niedawne propozycje obcięcia budżetu LIGO o 40% w 2026 roku mogłyby znacząco ograniczyć postęp badań. Podkreśla również, że rozwój tej dziedziny napędza technologie, edukuje ekspertów i podnosi poziom wiedzy społeczeństwa, co wpływa na codzienne życie.
– Badania fal grawitacyjnych to eksperyment naukowy realizowany z rozmachem, który pozwala lepiej zrozumieć podstawowe zasady rządzące światem. Potrzeby astronomów stymulują inżynierów do testowania nowych technologii – elektroniki, optyki, laserów, kwantowych własności światła czy metod analizy złożonych danych, w tym uczenia maszynowego – wymienia prof. Bejger.
Źródło: NAUKA W POLSCE
