Fale grawitacyjne, czyli jak strzał z lasera odkrył istnienie zmarszczek czasoprzestrzeni

Ile warte jest odkrycie, że orbita pulsara zacieśnia się rocznie o 3,5 metra? W 1974 r. Russell Hulse i Joseph Taylor otrzymali za to Nagrodę Nobla. Została im przyznana nie za samą obserwację zjawiska, ale za potwierdzenie, że Albert Einstein – choć nie wszystko potrafił udowodnić – miał rację.

Pulsar działa jak kosmiczna latarnia morska - obraca się szybko wokół własnej osi, emitując wiązkę promieniowania elektromagnetycznego. Z punktu widzenia ziemskiego obserwatora wygląda to tak, jakby w regularnych odstępach czasu obiekt kosmiczny puszczał Ziemi elektromagnetycznego "zajączka".

Kolejne "błyski" pojawiają się nie tylko cyklicznie, ale zarazem na tyle regularnie, że pulsar jest niezłym narzędziem do pomiaru czasu, oferując dokładność porównywalną z zegarem atomowym. Wnikliwa obserwacja jego zachowania okazała się dla panów Hulse’a i Taylora działaniem na miarę nagrody Nobla.

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

Wszystko zaczęło się od obserwacji zachowania PSR B1913+16 – układu złożonego z pulsara i gwiazdy neutronowej. Nazwa wygląda mało atrakcyjnie, jednak jej znaczenie dla zrozumienia Wszechświata jest trudne do przecenienia.

Fundamentem naukowego odkrycia, dzięki któremu ciąg liter i cyfr w nazwie układu możemy zmieniać na bardziej przyjazną nazwę "pulsar Hulse’a-Taylora", okazały się pomiary wskazujące, że tworzące go obiekty obiegają środek masy coraz szybciej – przyspieszają obieg o 0,0000765 sekundy na rok, a orbita układu z roku na rok staje się o 3,5 metra ciaśniejsza.

Choć w przypadku odległości typowych dla kosmosu może się to wydawać wartością pomijalną, dowodzi czegoś bardzo ważnego: potwierdza, że Einstein miał rację. Coraz ciaśniejsza orbita oznacza bowiem, że układ – z jakiegoś powodu – traci energię. Ale co ją z niego wyciąga?

Odpowiedź została przewidziana przez ogólną teorię względności: energia "ucieka" z układu w postaci fal grawitacyjnych, określanych obrazowo mianem zmarszczek czasoprzestrzeni.

Dr Tomasz Rożek, dziennikarz i popularyzator nauki, porównał je niegdyś do śladów, jakie na tafli wody zostawiają wrzucone do niej obiekty, generujące koliste zniekształcenia. Gdy do wody wlejemy dodatkowo kilka kropel oleju, te rozchodzące się fale będą – chwilowo – zmieniać ich kształt, skracając je lub rozciągając. To samo z naszą rzeczywistością robią fale grawitacyjne.

Choć w latach 70. nie zostały one w bezpośredni sposób zaobserwowane, odkrycie Russella Hulse’a i Josepha Taylora wskazywało, że powinny one istnieć, a tym samym – zgodnie z przewidywaniami Alberta Einsteina – wpływać na naszą rzeczywistość w mierzalny sposób.

Pomiędzy "powinny" a "istnieją" zieje jednak przepaść naukowego sceptycyzmu. W tym przypadku miała ona rozmiar mierzony upływem czasu: 42 lata. Tyle właśnie dzieliło przyznanie Nobla Hulse’owi i Taylorowi od ogłoszenie znalezienia dowodu na istnienie fal grawitacyjnych (również, dwa lata po odkryciu, nagrodzonego Noblem).

Warto podkreślić, że oficjalne ogłoszenie nie jest w tym przypadku tożsame z momentem odkrycia - wyniki ogłoszone na początku lutego 2016 roku odnosiły się do badań prowadzonych pół roku wcześniej.

Narzędziem użytym do badań był amerykański detektor fal grawitacyjnych LIGO – bliźniacze instalacje, oddalone od siebie o około 3 tys. km: jedna znajduje się w stanie Waszyngton, a druga w Luizjanie. Tworzą je wielkie, długie (im dłuższe, tym lepiej) rury wypełniona niczym i składające się z ramion, tworzących wielką literę "L".

Rura otacza środowisko zbliżone do próżni, przez które z miejsca łączącego obie rury puszczany jest jednocześnie w każdą z nich promień lasera. Im dłuższą drogę przebędzie wiązka światła, tym większa szansa na zaobserwowanie odchyleń, będących wynikiem oddziaływania fal grawitacyjnych.

Choć oba ramiona detektora są dokładnie tej samej długości, po przejściu fali grawitacyjnej w jednym z nich światło pokona nieco krótszą drogę. "Nieco" to kilka miliardów razy mniej od średnicy jądra atomu, ale jest to wielkość wystarczająca do stwierdzenia, że wycinek naszej rzeczywistości został zniekształcony: droga, którą przebyło światło, była odrobinę krótsza, bo fala grawitacyjna zakrzywiła czasoprzestrzeń.

Komentujący to odkrycie prof. dr hab. Michał Bejger (Centrum Astronomiczne im. Mikołaja Kopernika PAN) porównał je do próby dokonania pomiaru za pomocą linijki, która zmienia długość.

Jak długa powinna być linijka, aby odchylenia wskazały na przejście fal grawitacyjnych? Aby zwiększyć skalę wykrywanych zniekształceń, w detektorach montowane są zwierciadła, odbijające laser dziesiątki czy setki razy.

Dzięki temu np. detektor LIGO, którego ramiona mają 4 kilometry, pozwala na badanie zachowania wiązki światła na dystansie kilkuset kilometrów. Aby wyeliminować wpływ lokalnych zakłóceń, zebrane dane są porównywane z informacjami, dostarczonymi przez europejski detektor Virgo: przy przejściu fali grawitacyjnej anomalie powinny zarejestrować niezależnie wszystkie detektory.

Tyle wystarczyło, aby 14 września 2015 r. zarejestrować fale grawitacyjne będące efektem kolizji dwóch czarnych dziur. Kosmiczne zderzenie miało miejsce miliard lat temu, gdy czarne dziury o masach – odpowiednio – 29 i 36 mas Słońca zderzyły się, pędząc ku sobie z prędkością 150 tys. km/s. Zlały się wówczas w jedną czarną dziurę o masie 62 Słońc.

Do pełnego rachunku brakuje jednak trzech mas Słońc. Co się z nimi stało? W wyniku kosmicznej kolizji zostały wypromieniowane właśnie w postaci fal grawitacyjnych, które pędziły przez wszechświat i w 2015 r. dotarły do Ziemi, oddziałując na światło puszczone przez ramiona detektorów.

W analizie uzyskanych wówczas wyników brało udział 130 badaczy z kilkunastu krajów świata, w tym 15-osobowy polski zespół Polgraw. Wyniki badań były jednoznaczne: fale grawitacyjne nie tylko istnieją, ale wiek po sformułowaniu przez Alberta Einsteina ogólnej teorii względności udało się je zarejestrować.

Warto nadmienić, że wielki uczony proponował zarazem, że masa nie tylko zakrzywia ("ugina") czasoprzestrzeń, ale także wprawia ją w ruch wirowy (efekt Lensego-Thirringa), co potwierdziły w 2020 r. badania pulsara PSR J1141-6545.

Badanie fal grawitacyjnych powinno stać się jeszcze łatwiejsze, bo zamiast budować detektory na Ziemi, można użyć obiektów kosmicznych, czego przykładem jest plan wykorzystania do badań zwierciadeł, umieszczonych na Księżycu podczas misji Apollo 11, 14 i 15. Ostrzelane laserem pozwolą na mierzenie zniekształceń, występujących nie na kilku kilometrach – jak w ziemskich detektorach – ale na dystansie 384 400 km, dzielących Ziemię od Księżyca. Po co?

Fale grawitacyjne są nośnikiem bardzo cennych informacji. Choć ich wykrywanie przypomina – jak to opisał australijski fizyk, prof. David Blair - nasłuchiwanie wibracji wywołanych przez pukanie do drzwi z odległości dziesięciu tysięcy kilometrów, niosą informacje o tym, co wydarzyło się we Wszechświecie. Nie dają bezpośredniego obrazu, ale są jak echo odległych wydarzeń.

W teorii ich badanie zbliża nas m.in. do zrozumienia procesu zakrzywiania czasoprzestrzeni. Na razie może się to wydawać abstrakcyjne, ale w przyszłości – być może – w taki właśnie sposób Ziemianie będą podróżować na ogromne odległości, ignorując granicę wyznaczoną przez prędkość światła i problemy związane z dylatacją czasu. Istnieją już teoretyczne fundamenty takich podróży, jak choćby napęd Alcubierre'a (kompresja czasoprzestrzeni przed i rozszerzanie jej za pojazdem).

W wymiarze praktycznym badanie fal grawitacyjnych pozwala na dostrzeżenie tego, co wydarzyło się bardzo daleko i bardzo dawno. Wraz z innymi badaniami bezkresnego kosmosu zbliża nas do wiedzy na temat zjawisk i procesów, które ukształtowały nasz Wszechświat.