wp

Dlaczego zarejestrowanie fal grawitacyjnych jest przełomem w dziedzinie nauki?

14 miliardów lat temu następuje tzw. Wielki Wybuch. Wszechświat, który był małym punktem, zaczął się gwałtownie rozszerzać – szybciej, niż prędkość światła. Ten moment nazywa się inflacją. 8 mld lat później uformowało się Słońce. Ziemia z kolei powstała po kolejnych 500 mln lat. Aparatura naukowa nadal wykrywa ślady tych zdarzeń. Do dzisiaj rejestrujemy echo tego, co działo się w kosmosie miliardy lat temu. Najnowszym echem są fale grawitacyjne.
Głosuj
Głosuj
Podziel się
Opinie
Dlaczego zarejestrowanie fal grawitacyjnych jest przełomem w dziedzinie nauki?
(PAP/EPA / R. Hurt / CalTech-JPL)

Dawno, dawno temu, w odległej galaktyce, a dokładnie nieco ponad miliard lat temu, doszło do potężnego zderzenia dwóch czarnych dziur. Jedna, równa 29 masom słońca, i druga – równa 36 masom Słońca, wirowały wokół siebie z ogromną prędkością, co pochłaniało ich energię. Dzięki temu zbliżały się do siebie coraz szybciej, by w końcu zlać się w jedną wielką czarną dziurę równą 62 masom Słońca. W momencie zderzenia, dziury wyemitowały więcej energii, niż cały pozostały Wszechświat, a brakujące 3 masy zostały wypromieniowane jako fale grawitacyjne – to ich sygnał zarejestrowano na Ziemi.

Jest to o tyle ważne, że stanowi ostatni element "układanki" Einsteina. Już 100 lat temu niemiecki fizyk opisał fale grawitacyjne, których istnienie udało się ostatecznie potwierdzić. Jest to przełom w badaniu historii Wszechświata - w znalezieniu odpowiedzi na nurtujące ludzkość od setek lat pytań dotyczących jego powstania i towarzyszącym temu zjawiskom. Ważną częścią odkrycia jest jego zastosowanie praktyczne. Do tej pory, znaczna część naszej wiedzy o Wszechświecie pochodziła z obserwacji fal elektromagnetycznych (światła widzialnego, ultrafioletu, podczerwieni, promieni gamma, mikrofal). Natomiast fale grawitacyjne to zupełnie inne, zachodzące równolegle zjawisko. Dzięki nim, będziemy mogli obserwować ślady fal grawitacyjnych Wielkiego Wybuchu, „zajrzeć”. do wnętrza supernowej czy gwiazdy neutronowej, w której materia jest ściśnięta bardziej, niż w jądrze atomu. Fale grawitacyjne cały czas przemierzają Wszechświat, a my w końcu jesteśmy zdolni je rozpoznawać.

wp

Czekaliśmy na to od 191. roku, kiedy to Albert Einstein ogłosił teorię względności. Jej istotą było twierdzenie, że siła grawitacji wynika z zakrzywienia czasoprzestrzeni wywołanego przez zniekształcającą ją masę. Z obliczeń wynikało, że na samej czasoprzestrzeni pewne zjawiska mogą wywoływać zmarszczki przemieszczające się z prędkością światła. To właśnie fale grawitacyjne.

Zdarzenie trwało chwilę, mniej, niż mgnienie okiem - dokładnie 0,12 sekundy. Fala grawitacyjna (nazywane także zmarszczkami czasoprzestrzeni) przemierza kosmos z prędkością światła. Nawet po przebyciu miliarda lat świetlnych jest na tyle silna, że zdołała się wyróżnić z szumu tła. Poznanie tak wyjątkowego śladu, który pierwszy raz w historii zarejestrowano na Ziemi to przełom.

(fot. Wirtualna Polska)
Podziel się

Aby uwiarygodnić istnienie fal grawitacyjnych, w 1996 roku rozpoczęto budowę Laserowego Obserwatorium Interferometrycznego Fal Grawitacyjnych (LIGO) – oddalonych od siebie o 3 tysiące km (w stanach Waszyngton i Luizjana) detektorów zmarszczek czasoprzestrzeni. Ich tunele mają kształt litery L, a każde ramię ma po 4 km długości. Wewnątrz nich biegnie światło lasera, które z niezwykłą precyzją (do tysięcznych średnicy protonu) sprawdzają, czy długość jednego ramienia instalacji zmienia się w stosunku do długości drugiego ramienia. W 2002 roku rozpoczęto pierwsze badania, a 14 września 2015 roku, niemalże w tym samym momencie, oba obserwatoria zarejestrowały sygnał fal grawitacyjnych. Pochodził on ze zderzającego się ponad miliard lat temu układu dwóch czarnych dziur.

wp
(fot. flickr / Tobin / CC BY-SA 2.0)
Podziel się

Przechodząca przez Ziemię fala grawitacyjna - którą ciężko wychwycić, bo jedynie na ułamek sekundy odkształca całą czasoprzestrzeń wokół nas - może zostać wykryta właśnie poprzez wyniki pomiarów w interferometrze. We wnętrzu każdej rury LIGO znajduje się kolejna - ze stali nierdzewnej. Ta stanowi granicę między otoczeniem a próżnią. Ze znajdującego się u zbiegu rur laboratorium w tym samym momencie wysyłane są wiązki laserowe. Na końcach instalacji znajdują się zwierciadła, które odbijają wiązki po 10. razy, po czym te wpadają do centralnego laboratorium i są ze sobą starannie porównywane.

Uczeni mogą obliczyć z wielką dokładnością, czy obydwie wiązki przebyły te same drogi. Powinny one być identyczne, chyba że w trakcie przeprowadzanego pomiaru przez Ziemię przejdzie fala grawitacyjna. Wtedy jedno z ramion LIGO jest nieco dłuższe. O ile? Różnica to nie więcej niż jedna tysięczna średnicy protonu! W książce „Zmarszczki na kosmicznym morzu”, David Blair porównuje poszukiwanie fal grawitacyjnych do nasłuchiwania wibracji wywołanych przez pukanie do drzwi z odległości 10 tys. km. Detektory zdolne wykryć fale grawitacyjne powinny zarejestrować efekt porównywalny z upadkiem szpilki po drugiej stronie naszej planety.

- Fala grawitacyjna powoduje pewne zaburzenia krzywizny czasoprzestrzeni. To powoduje, że drogi w dwóch ramionach są trochę różne. Bo kiedy czasoprzestrzeń się zmienia, światło może podróżować jednym ramieniem trochę dłużej, a drugim - trochę krócej - powiedział PAP-owi Andrzej Królak z Instytutu Matematycznego PAN w Warszawie i Narodowego Centrum Badań Jądrowych. Prof. Królak jest liderem polskiej grupy naukowców uczestniczących w tym projekcie.

wp

Co to znaczy, że fala grawitacyjna odkształca czasoprzestrzeń? Aby zrozumieć proces, który zachodzi przy udziale fal grawitacyjnych, należy spojrzeć na analogiczne działanie w naszym środowisku. Tomasz Rożek, doktor fizyki oraz dziennikarz, autor fanpage'a Nauka. To lubię! , w swoim materiale opublikowanym na łamach magazynu Focus, w bardzo przystępny sposób wyjaśnia, o co tak naprawdę chodzi. Otóż, jeśli na tafli wody wylejemy olej, powstanie kilka okrągłych plam. Po wrzuceniu kamienia, utworzone fale będą lekko rozciągać te plamy, przez co na jakiś czas zmienią one swój kształt, ale po chwili wszystko wróci do stanu pierwotnego. W taki sam sposób obiekty o dużej masie, które z ogromną prędkością przemieszczają kosmos, powstają fale grawitacyjne (tu –. analogicznie fale wody).

- Fala na wodzie zniekształcała obiekty, które znajdowały się na dwuwymiarowej powierzchni. Podobnie może zniekształcać obiekty - od gwiazd po ludzi i atomy - fala grawitacyjna w przestrzeni czterowymiarowej. Gdy przechodzi, lekko je rozciąga albo skraca, ale po chwili wszystko wraca do normy. Takie fale powstają wtedy, gdy gdzieś we wszechświecie szybko porusza się obiekt o dużej masie. Im większa masa i im szybszy jej ruch, tym przestrzeń bardziej się marszczy - tak samo jak większa fala na wodzie powstanie, gdy wrzucimy do niej większy kamień - tłumaczy Rożek.

Opr. SŁK-WP; źr.: WP / PAP / Focus / crazynauka / tvnmeteo

Polub WP Tech
Trwa ładowanie
.
.
.
Głosuj
Głosuj
0
Wow!
0
Ważne
0
Słabe
0
Straszne
Podziel się na Facebooku
wp
wp
wp