Fale grawitacyjne istnieją! To jedno z największych odkryć XXI wieku

Czterokilometrowy detektor LIGO w Hanford Observatory w stanie Waszyngton

Źródło: http://www.ligo.org

W zeszły czwartek doniesiono o bezpośrednim wykryciu fal grawitacyjnych. Wiele wskazuje na to, że będzie to jeden z tych dni, o których nasze dzieci będą kiedyś uczyły się w szkołach. Czwartkowe odkrycie jest już mocnym kandydatem do tegorocznej Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki.

Dlaczego to tak ważne?

Zacznijmy może od tła historycznego. To odkrycie to przede wszystkim kolejny już dowód na nieomylność Einsteina, który istnienie fal grawitacyjnych przewidział mniej więcej sto lat temu. W dodatku już wtedy zauważył, że właśnie czarne dziury – obiekty o ogromnej masie – mogą kiedyś pomóc naukowcom w zrozumieniu zagadki grawitacji. W typowy dla siebie sposób po kilkunastu latach zwątpił co prawda w swoje obliczenia,... ale okazało się, że ostatecznie, zgodnie z naszym obecnym stanem wiedzy, miał pierwotnie rację.

Czarne dziury to obiekty tak ciężkie, że nawet ich materia zapada się pod własnym ciężarem - aż do punktu zwanego Osobliwością. W dodatku nie sposób je zaobserwować, bowiem pochłaniają niemal w stu procentach światło i inne rodzaje promieniowania elektromagnetycznego. Można je więc „zobaczyć” tylko dzięki sile grawitacji, z jaką oddziaływają na całe swoje masywne otoczenie – na przykład na pobliskie gwiazdy i galaktyki. Jeśli związany z nimi układ olbrzymich mas zmienia się – na przykład, gdy czarna dziura pochłania drugą lub gdy dwie czarne dziury okrążają się nawzajem po ciasnych orbitach – wówczas według teorii grawitacji Einsteina powinna wytwarzać się energia grawitacyjna, która jest następnie niesiona przez cały Kosmos w formie fal grawitacyjnych, rozprzestrzeniających się pod pewnymi względami podobnie do fal elektromagnetycznych. Problem w tym, że jak dotychczas – czyli do 14 września ubiegłego roku – nie zaobserwowano nigdy sygnałów, które dobrze zgadzałyby się z tymi przewidywaniami teoretycznymi. Obecny pomiar badano przez kilka miesięcy, zanim ostatecznie naukowcy zdecydowali się na publikację. Ważne jest to, że zebrane dane zgadzały się z modelami teoretycznymi bardzo dobrze...

Co promieniuje?

Naukowcy zaobserwowali tak naprawdę ślad po zderzeniu się dwóch czarnych dziur, mającym miejsce około 1,3 mld lat temu. To katastrofalne wydarzenie wytworzyło bardzo silne fale grawitacyjne, które właśnie niedawno dotarły do Ziemi do umieszczonych na niej, czułych detektorów. To, co właściwie zarejestrowały, możemy sobie wyobrazić nie tyle jako promieniowanie, ale jako rozchodzące się niczym światło „zmarszczki” w samej czasoprzestrzeni. Związana z nimi fala podróżowała z prędkością światła, a jej zapis obejmuje jedynie czas rzędu jednej dziesiątej sekundy. Z czasu trwania sygnału wywnioskowano, że zlewające się czarne dziury miały masy rzędu 29 i 36 mas Słońca i średnice równe około 150 kilometrów - były to więc czarne dziury typu gwiazdowego. Sygnał dobiegł do nas z okolicy Obłoków Magellana – znanych obiektów nieba południowego. Na energię wykrytych fal przeobraziła się podczas tego niesamowitego zderzenia równowartość około trzech mas Słońca. Gdyby zderzeniu uległy jeszcze bardziej masywne czarne dziury typu galaktycznego, efekt byłby prawdopodobnie jeszcze silniejszy.

Jak się to obserwuje?

Odkrycie to było możliwe w dużej mierze dzięki dwóm specjalnym interferometrom laserowym obserwatorium LIGO. Są one odległe od siebie aż o trzy tysiące kilometrów i mają formę tuneli o kształcie litery L. W ich wnętrzu porusza się światło. Służy to temu, by naukowcy mogli z wystarczająco wysoką dokładnością zbadać, czy długość jednego ramienia takiej instalacji zmienia się w stosunku do długości drugiego ramienia. Choć brzmi to dość nieprawdopodobnie, taki efekt zachodzi – a przynajmniej zaszedł 14 września 2015 roku, gdy docierająca do Ziemi, potężna fala grawitacyjna na ułamek sekundy dosłownie odkształciła czasoprzestrzeń.

Co dalej?

Badania na pewno będą kontynuowane. Grawitacja być może stanie się „modnym” tematem prac doktorskich i habilitacyjnych, a także wnioskowanych grantów badawczych. Naukowcy będą chcieli powtórzyć opublikowane w tym tygodniu obserwacje, a także wykonać je dla innych masywnych obiektów we Wszechświecie (poza czarnymi dziurami silne fale grawitacyjne mogłyby wytwarzać na przykład zderzające się galaktyki i gwiazdy neutronowe). Tak naprawdę astronomia fal grawitacyjnych dopiero teraz zacznie się rozwijać.

Obecne odkrycie to przede wszystkim potwierdzenie „słuszności” Ogólnej Teorii względności Einsteina (inaczej: teorii grawitacji). Od dawna wierzono, że istnieją cztery podstawowe oddziaływania w fizyce: elektromagnetyzm (światło, pola elektryczne i magnetyczne) oraz oddziaływania jądrowe słabe i silne (odpowiedzialne za rozpady jąder atomowych oraz za ich powstawanie i stabilność) i właśnie grawitacja. Problem w tym, że wszystkie pozostałe, dość dobrze nam już znane oddziaływania (elektromagnetyczne i jądrowe) mają swoje własne cząstki je przenoszące o znanych masach, można też je bezpośrednio zaobserwować. Z grawitacją nie jest tak prosto – przede wszystkim dlatego, że mimo iż jej skutki możemy obserwować na co dzień, zgodnie z teorią to oddziaływanie jest najsłabsze ze wszystkich, a zatem najtrudniejsze do zaobserwowania. Do uzyskania mierzalnych efektów emitujące ją ciało musi mieć bardzo duże przyspieszenie i ogromną masę.

„Dostaliśmy teraz całkiem nowe okno na Wszechświat. Po raz pierwszy wykryliśmy gwałtowną burzę w materii czasoprzestrzeni” - skomentował odkrycie słynny fizyk Kip Thorne, jeden z założycieli obserwatorium LIGO, ekspert w dziedzinie grawitacji i czarnych dziur.

Odkrycie jest efektem współpracy ponad tysiąca naukowców pracujących w dwóch pokrewnych projektach: LIGO i jego europejskim odpowiedniku - VIRGO, w którego pracach biorą udział również polscy fizycy (projekt POLGRAW). Owocem ich współpracy jest globalną sieć detektorów fal grawitacyjnych. W Polsce swój wkład w to dokonanie mieli naukowcy z Instytutu Matematycznego PAN, Centrum Astronomicznego im. Mikołaja Kopernika PAN, Narodowego Centrum Badań Jądrowych, a także Uniwersytetów w Białymstoku, Toruniu, Warszawie, Wrocławiu i Zielonej Górze .

Więcej na ten temat

https://polgraw.camk.edu.pl/q-and-a.html

http://www.astronomy.com/bonus/gravity

http://cs.astronomy.com/asy/b/daves-universe/archive/2016/02/11/new-era-in-astronomy-begins-with-gravitational-wave-detection.aspx

http://astronomy.com/~/media/images/bonus/gravity/video/blackholemp4.mp4 symulacja zderzenia czarnych dziur

Źródło: Elżbieta Kuligowska | astronomy.com
14.02.2016

Liczba odsłon: 826


Po raz pierwszy mamy dowód istnienia fal grawitacyjnych.
Źródło: Roen Kelly




Co jeszcze może wytwarzać fale grawitacyjne i jaką mają one częstotliwość? Porównanie różnych źródeł wraz z instrumentami, które są w stanie wykryć to promieniowanie.

Źródło: Roen Kelly, after C. Moore, R. Cole, and C. Berry (Institute of Astronomy, Univ. of Cambridge