Czy odkryto fale grawitacyjne?

Świat fizyki zatrząsnął się w posadach kilka dni temu, na skutek informacji o wykryciu długo poszukiwanych fałdowań w czasoprzestrzeni, nazywanych falami grawitacyjnymi. Część z informacji w internecie może być jedynie spekulacjami, jednak pojawiają się dowody na to, że naukowcy z Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) wykryli pierwsze dowody na istnienie fal, które w swojej teorii zakładał już ponad sto lat temu Albert Einstein.

Potwierdzono, że w dniu 14 września 2015 roku o godzinie 5:51 czasu wschodniego (9:51 UTC), obserwatoria LIGO w Livingstone w Luizjanie i Hanford w stanie Waszyngton, wykryły fale grawitacyjne powstałe na skutek kolizji dwóch czarnych dziur.

Na podstawie przeanalizowanych sygnałów zakłada się, że czarne dziury były większe od naszego słońca 29 i 36-krotnie. Samo zderzenie miało mieć miejsce 1.3 miliarda lat temu. Na skutek tego wydarzenia masa równa trzykrotnej masie słońca została przekształcona w fale grawitacyjne.

Oto kilka informacji o falach grawitacyjnych, które warto poznać w oczekiwaniu na nadchodząc (być może) dokładniejsze informacje.

Czym w ogóle są fale grawitacyjne?

Jeśli pomyślisz o wszechświecie jako o rozległym oceanie, fale grawitacyjne będą marszczeniami wywołanymi, gdy jakiś obiekt zostanie upuszczony na jego powierzchnię. Według teorii Einsteina, fale grawitacyjne mogą być wywoływane przez układy masywnych obiektów w przestrzeni, takich jak gwiazdy neutronowe i czarne dziury.

O co tyle hałasu?

Fale grawitacyjne, nie tylko stanowić będą kolejny dowód na potwierdzenie założeń teorii względności, mogą pomóc naukowcom badać wiele tajemniczych fenomenów w kosmosie. Są najlepszym sposobem na zbadanie ciemnych przestrzeni kosmosu, ponieważ przenikają przez trudne do zauważenia obiekty, mogąc dostarczyć informacji o naturze tajemniczych ciał w kosmosie.

Choć nieuchwytne, fale są również kluczowe dla wielu teorii na temat najwcześniejszych początków wszechświata. Obliczenia wskazują, że wszechświat przeszedł okres gwałtownej ekspansji w sekundy po Wielkim Wybuchu. Fale grawitacyjne utworzone w tym okresie szybkiej inflacji zostałyby zakrzywione przez mikrofalowe promieniowanie tła, najwcześniejsze promieniowanie, które przenika wszechświat. Powstałe w tym okresie fałdowania pozostawiłyby w kosmosie ślady, które mogłyby zaprowadzić nas do najwcześniejszych okresów istnienia kosmosu.

Eksperyment LIGO, będący wspólnym przedsięwzięciem naukowców z MIT, Caltech i wielu innych szkół wyższych, ma za zadanie wykrywanie kolejnych, nowszych fal. Ich odkrycie byłoby ogromnym krokiem w rozwoju naszej wiedzy o wszechświecie.

W jaki sposób ich szukać?

Większość detektorów fal grawitacyjnych pracuje, próbując wykryć zmiany w odległości między obiektami odległymi o znaną nam wielkość. Fala przechodząca przez Ziemię będzie marszczyć czasoprzestrzeń w taki sposób, że spowoduje chwilowe rozciągniecie się wszystkich obiektów. Przewidywane odkształcenia dla  obiektu o długości 400 km byłoby mniejsze niż 10−19 metra.

Obecnie przeprowadzanych jest kilka doświadczeń na całym świecie, każde z wykorzystaniem odmienej techniki. Przykładowo LIGO wykorzystuje dwa czujniki znajdujące się blisko 2000 mil od siebie i zbiera dane z 75 obserwatoriów na całym świecie, aby wykrywać możliwe sygnały fal grawitacyjnych przechodzących przez Ziemię.

Inni badacze zaproponowali użycie wysoce wrażliwe zegarów atomowych do wykrywania czasowych zakłóceń, natomiast Europejska Agencja Kosmiczna wystrzeliła niedawno satelitę, który będzie testować technologie, które mogą pomóc naukowcom opracować nowe sposoby mierzenia malutkich wahań w przestrzeni.

Dlaczego fale grawitacyjne są tak trudne do wyrycia?

Wrzucając kamień do wody powstanie fala, która będzie coraz mniejsza im bardziej oddala się od epicentrum. Fale grawitacyjne działają na tej samej zasadzie. Przestrzeń jest ogromna, natomiast naukowcy uważają, że źródła tych fal to obiekty widoczne na krawędzi wszechświata (super masywne układy gwiazd i czarnych dziur mogą dodatkowo generować rozbłyski gamma, które obserwujemy), czyli niewyobrażalnie daleko od naszych detektorów.

Oznacza to, że każdy sygnał, który dotrze do Ziemi będzie bardzo słaby i trudny do wyizolowania. Większość obserwatoriów poszukujących fal grawitacyjnych musi przeczesywać malutkie zakłócenia w tkance czasoprzestrzeni. Tak działa detektor LIGO, który może mierzyć zmiany tak małe, jak jedna dziesięciotysięczna średnicy protonu.

Czy już kiedyś nie słyszeliśmy o tym, że odkryto fale grawitacyjne?

Nie jest to pierwszy raz w historii, gdy naukowcy ogłaszają odkrycie fal grawitacyjnych. W 2014 roku astronomowie z obserwatorium BICEP2 zlokalizowanego w pobliżu południowego bieguna ziemi, ogłosili odkrycie fal grawitacyjnych pochodzących z czasów początku naszego wszechświata. Finalnie okazało się, że był to jednak fałszywy alarm spowodowany przez kosmiczny pył.

Eksperyment LIGO również ma za sobą „fałszywy alarm”. W 2010 roku zanim ulepszono aparaturę pomiarową, naukowcy odkryli coś, co jak sądzili mogło być falą grawitacyjną. Późnej jednak okazało się, że był to specjalny sygnał nadany właśnie po to, by stwierdzić czy uda się odróżnić fałszywy sygnał od naturalnego.

Pod koniec ubiegłego tygodnia naukowcy z LIGO udzielili jedynie nieśmiałego komentarza, jakoby być może wykryli fale grawitacyjne, więcej informacji na zostać przedstawionych w najbliższych dniach.