Otwarcie nowej ery astronomii: wykryto fale grawitacyjne

3

Sto lat po tym, jak ich istnienie w swojej Ogólnej Teorii Względności zaproponował Albert Einstein, fale grawitacyjne zostały zaobserwowane. Niewielkie zmarszczki w czasoprzestrzeni wywołane zostały przez dwie wirujące wokół siebie czarne dziury, które ostatecznie się zderzyły.

Rewolucyjną informację dla astronomii, otwierającą całkiem nową i unikalną erę badań Wszechświata, podano w czasie specjalnej konferencji prasowej zorganizowanej 11 lutego w National Press Club w Waszyngtonie. Badacze ogłosili rezultat ostatnich pomiarów przeprowadzonych w obserwatorium LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), które składa się z dwóch osobnych ośrodków obserwacyjnych oddalonych od siebie o niecałe 3000 kilometrów, jednego w pobliżu Hanford (zachód USA) i drugiego w okolicach Livingston (wschód USA).

Przełomowym dniem w obserwacjach fal grawitacyjnych był 14 września 2015 roku, kiedy to instrumenty w ośrodku LIGO w Livingston zarejestrowały niedwuznaczny sygnał. Siedem milisekund później, sygnał o takiej samej charakterystyce zarejestrowany został w ośrodku LIGO w Hanford.

Materiał przedstawiający odkrycie naukowców zaangażowanych w projekt LIGO / Źródło: MIT

Naukowcy po przestudiowaniu sygnału odnaleźli winowajców zamieszania: dwie czarne dziury w odległości 1,3 miliarda lat świetlnych od Ziemi, jedna o masie 29 gwiazd takich jak nasze Słońce, i druga o masie 36 mas naszej gwiazdy, połączyły się w jeden obiekt. Wcześniej krążyły wokół siebie zmniejszając dystans i osiągając prędkość połowy prędkości światła.

Wydarzenie to było tak bardzo energetyczne, że doszło do wytworzenia zmarszczek w czasoprzestrzeni, a na miejscu kolizji powstała czarna dziura o łącznej masie 62 gwiazd takich jak nasze Słońce. Bystrzy czytelnicy od razu dostrzegą, że gdzieś doszło ubytku masy. Ekwiwalent masy trzech gwiazd takich jak Słońce został przekonwertowany na fale grawitacyjne, które zaczęły się rozchodzić we wszystkich kierunkach.

We wrześniu 2015 roku te fale grawitacyjne przeszły przez Ziemię, rozciągając naszą planetę w jednym wymiarze i kurcząc w drugim. Mowa oczywiście tutaj o bardzo niewielkich wartościach, jednak nasza technologia była w stanie to zarejestrować.

Einstein w swojej ogólnej teorii względności z 1916 roku założył istnienie grawitacyjnych fal. Postulowana teoria dotyczyła masywnych ciał poruszających się z dużą prędkością, jak na przykład układu podwójnego czarnych dziur albo zapadających się jąder ogromnych gwiazd w czasie ich śmierci (wybuchu supernowej), które w takich warunkach emitowałyby energię naruszającą tkankę czasoprzestrzeni.

W momencie emisji fale rozchodzą się z prędkością światła lub jej bliskiej. Z czasem jednak mają słabnąć, przybierając formę niezwykle trudnych do wykrycia zmarszczek w czasoprzestrzeni. I tutaj tkwiła cała problematyka. Naukowcy musieli opracować urządzenie, które wykryje zmianę o wielkości mniejszej od średnicy jądra atomu. Na szczęście poziom technologiczny umożliwia obecnie prowadzenie takich pomiarów, i dlatego powstało obserwatorium LIGO.

Każda ze stacji pomiarowych LIGO składa się z pary tuneli próżniowych o długości 4 km każdy. Tunele są ułożone prostopadle względem siebie (na kształt litery L), dzięki czemu pokryty jest pomiar zmian w dwóch wymiarach. W tunelach biegną wiązki światła laserowego, które odbija się od wielu luster umieszczonych w systemie. Łącznie dystans jaki przebiega wiązka światła laserowego zostaje powiększony do około 1600 kilometrów. Na końcu wiązki padają na detektor i ulegają rekombinacji.

Grafika ukazująca proces łączenia dwóch czarnych dziur i przebieg sygnału zarejestrowanego przez oba obserwatoria LIGO / Źródło: LIGO, NSF, Aurore Simonnet (Sonoma State U.)

Grafika ukazująca proces łączenia dwóch czarnych dziur i przebieg sygnału zarejestrowanego przez oba obserwatoria LIGO / Źródło: LIGO, NSF, Aurore Simonnet (Sonoma State U.)

Jeśli wiązka światła w każdym tunelu przebyła dokładnie taką samą odległość jak przed jej rekombinacją, to oznacza to, że stacja LIGO nic nie zaobserwowała. System jest tak skalibrowany, że grzbiety fali światła z jednego tunelu nakładają się z dolinami fali z drugiego, co prowadzi do określonej interferencji.

Fale grawitacyjne przewidziane przez Alberta Einsteina rozciągają przestrzeń w jednym kierunku i kompresują ją w drugim (prostopadłym) kierunku. W przypadku infrastruktury LIGO oznacza to, że jeden z tuneli jest w trakcie przejścia fali rozciągany, a drugi kurczony. Wiązki światła lasera przebywają nieznacznie inne dystanse i w rezultacie po rekombinacji grzbiety jednej fali światła nie nakładają się na doliny drugiej fali światła.

Aby cały system LIGO działał z wymaganą dokładnością każdy z tuneli stanowi próżnię dużo bardziej doskonalszą niż ta, która występuje w przestrzeni kosmicznej (od 8 do 10 razy mniej atomów). Zapewnia to odporność na wibracje dźwiękowe. Dodatkowo zwierciadła odbijające wiązki laserowe wyposażone są w wahadła z przeciwwagami, co zapewnia możliwość wytłumienia największych drgań.

Wreszcie cały system LIGO składa się z dwóch identycznych stacji pomiarowych, co całkowicie wyklucza wpływ ziemskich wibracji na układ. LIGO było przed historyczną detekcję udoskonalone, aby możliwe było wykrycie zmian rozciągania i kurczenia o wartościach 10 tysięcy razy mniejszych od średnicy protonu.

Zdjęcie ośrodka badawczego LIGO w Livingston / Źródło: LIGO Cosortium

Zdjęcie ośrodka badawczego LIGO w Livingston / Źródło: LIGO Cosortium

14 września 2015 roku wiązki światła laserów w obu stacjach LIGO doświadczyły oczekiwanej zmiany, a podekscytowani naukowcy poddając dane analizie zidentyfikowali źródło tych zakłóceń w dwóch łączących się ze sobą czarnych dziurach. Każda z nich miała przed połączeniem średnicę około 150 kilometrów, upakowaną masę będącą ekwiwalentem około trzydziestu gwiazd takich jak Słońce, oraz poruszały się z prędkością połowy prędkości światła.

Ustalenie częstotliwości i amplitudy rekombinowanego sygnału pozwoliło na określenie dystansu do źródła zakłóceń, masy czarnych dziur oraz ich ogólnego kierunku przemieszczania. Wywołany przez łączące się czarne dziury sztorm grawitacyjny spowodował niewyobrażalne oddziaływanie na czasoprzestrzeń.

Czas przyspieszał, a potem zwalniał. Energia wyzwolona w ostatnich 20 milisekundach łączenia się dwóch obiektów była 50 razy większa od energii produkowanej w tym momencie przez wszystkie gwiazdy we Wszechświecie… a to wszystko zostało przekształcone w fale grawitacyjne, które energię pobrały z trzech anihilowanych ekwiwalentów naszego Słońca.

Astronomowie wiedzą, że to początek nowego rodzaju badań. Kolejnych przypadków rejestracji fal grawitacyjnych możemy się spodziewać w najbliższej przyszłości. Odpowiadać za nie mogą również wirujące wokół siebie gwiazdy neutronowe, przypadki rozrywania gwiazdy neutronowej przez czarną dziurę, kolizje gwiazd neutronowych, a także wybuchy supernowych. Opublikowane odkrycie jest jednocześnie najbardziej bezpośrednią detekcją istnienia czarnych dziur w historii astronomii.

Obserwatoria podobne do LIGO mogą również pewnego dnia pozwolić na detekcję fal grawitacyjnych wywołanych przez tworzone w czasie narodzin Wszechświata struny kosmiczne. Precyzja badań wzrośnie w najbliższych latach z uwagi na podobne do LIGO obserwatoria, które powstają we Włoszech, Japonii czy Indiach.

(California Institute of Technology)

Przekaż dalej

3 komentarze

  1. A mnie ciekawi skąd wiadomo z jakiego układu czarnych dziur te fale zaobserwowano? Czy może nie ustalono, z jakiego konkretnie?

    • Maciej Mickiewicz na

      Na podstawie analizy sygnału astronomowie ustalili odległość i kierunek do źródła zakłóceń (detekcja pozwoliła nawet na oszacowanie z jak masywnymi obiektami mieliśmy do czynienia), więc mniej więcej znana jest lokalizacja. Wizualnie oczywiście można poszukiwać dokładnie tego miejsca, zwłaszcza, że od sztormu na miejscu minęło zaledwie kilka miesięcy. Dedykowany program do obserwacji wizualnych tej sytuacji był uruchomiony już w kilkadziesiąt godzin po detekcji zarejestrowanej przez obserwatoria LIGO, więcej: http://astronomynow.com/2016/02/14/report-of-first-search-for-visible-light-associated-with-gravitational-waves/

  2. Zastanawiam się jak to wpłynie na misje eLisa, która miała w ogóle potwierdzić założenie Einsteina.
    Swoją drogą nie do końca rozumiem co oznacza istnienie fal grawitacyjnych. Czy to znaczy że przestrzeń podobnie do czasu jest względna?