Potężne trzęsienie czasoprzestrzeni. "Takiego odkrycia jeszcze nie było"

Fale grawitacyjne przez dziesięciolecia były świętym Graalem fizyki teoretycznej – na ich odkrycie czekaliśmy prawie 100 lat. Gdy w 1916 roku Albert Einstein ogłosił swoją teorię względności, przyjął, że siła grawitacji wynika z zakrzywienia czasoprzestrzeni, zniekształcanej przez masę, a zniekształcenia te, nazywane zmarszczkami czasoprzestrzeni, mogą poruszać się z prędkością światła.

Problem polegał na tym, że do teorii Einsteina brakowało dowodów. Były pośrednie przesłanki wskazujące, że genialny fizyk ma rację – wskazywało na to nagrodzone Noblem odkrycie z 1974 roku, kiedy to Russell Hulse i Joseph Taylor odkryli układ składający się z pulsara, wirującego wokół innej gwiazdy. Teoria Einsteina zakładała, że wysyłający fale grawitacyjne układ powinien tracić energię, czego potwierdzeniem było odkrycie, że orbita pulsara zacieśnia się o 3,5 metra rocznie.

Problem polegał na tym, że – choć było to zgodne z teorią względności – wciąż brakowało mierzalnego i bezpośredniego potwierdzenia istnienia fal grawitacyjnych, a nie tylko domniemanych efektów ich oddziaływania.

Wszystko zmieniło się, gdy 14 września 2015 roku fale grawitacyjne zostały zarejestrowane przez dwa detektory LIGO w Waszyngtonie i Luizjanie. To dwa wielokilometrowe tunele ułożone w kształt litery L, w których znajduje się dużo "niczego" – rury z (prawie) próżnią, w których odbijana jest wiązka lasera, ulegająca zniekształceniom w przypadku przejścia fali grawitacyjnej, co można wykryć, porównując wiązki z obu ramion detektora. Dzięki nim jesteśmy w stanie wykrywać i dokonywać pomiarów niewyobrażalnie małych odkształceń, miliardy razy mniejszych od jądra atomu.

Zebrane przez detektory dane, będące wynikiem zderzenia dwóch czarnych dziur były następnie miesiącami analizowane przez setki naukowców, w tym również Polaków skupionych w zespole badawczym Polgraw. Ich badania ostatecznie potwierdziły: fale grawitacyjne istnieją i możemy je zarejestrować.

Od tamtego czasu dwa detektory zarejestrowały fale grawitacyjne jeszcze dwukrotnie, ale 1 sierpnia tego roku do obserwacji Wszechświata dołączył kolejny, europejski detektor Virgo, działający we Włoszech. Wystarczyły dwa tygodnie, by detektor – wspólnie ze sprzętem amerykańskim – wykrył kolejne wstrząsy czasoprzestrzeni. Odkrycie to jest pierwszym przypadkiem zarejestrowania fal grawitacyjnych przez trzy niezależne detektory.

Ponieważ detektory znajdują się tysiące kilometrów od siebie to opóźnienie, z jakim odebrały sygnał pozwala na obliczenie obszaru Wszechświata, będącego jego źródłem. Według obliczeń badaczy źródłem sygnału była kolizja dwóch czarnych dziur o masie 31 i 25 razy większej od Słońca. Nowopowstała czarna dziura ma masę około 53 mas Słońca, a zatem, jeśli dobrze policzymy, to rachunek się nam nie zgodzi. Bez obaw, fizyka to nie pieniądze z OFE – tu nic nie ginie. Jak podaje Polgraw:

Właśnie te fale zostały, po 1,8 mld (to nie błąd – chodzi o prawie dwa miliardy lat) od kolizji odebrane na Ziemi. Warto zauważyć, że te 3 masy Słońca oznaczają ilość uwolnionej energii, przekraczającą zdolności wyobrażenia większości z nas. Dość wspomnieć, że – jak obrazowo porównał Piotr Ciesliński z Wyborczej – najpotężniejsza eksplozja wywołana ręką człowieka, czyli eksplozja 50-megatonowej Car Bomby, odpowiada zamianie w energię zaledwie ok. 3 kg masy.

Co z tego wynika dla nas? Wbrew pozorom obserwacje fal grawitacyjnych nie są wyłącznie kosztowną zabawą jajogłowych. Zostawmy jednak – na razie – na boku futurystyczne wizje manipulowania czasoprzestrzenią, zabaw czasem i odległościami. To kuszące, ale bardzo, bardzo odległe. Skupmy się na tu i teraz. A teraz zarejestrowane fale grawitacyjne nie dość, że potwierdzają teorię Einsteina, to otwierają nowy rozdział w badaniach Wszechświata.

Naukowcy nie zasypiają gruszek w popiele. Już wystrzeliliśmy pierwszą sondę LISA Pathfinder z próbnikiem technologii, dzięki której w 2034 roku uruchomimy gigantyczne – bo zbudowane na bazie trójkąta o długości boków sięgającej miliona kilometrów – kosmiczne obserwatorium fal grawitacyjnych eLISA (evolved Laser Interferometer Space Antenna).

Dzięki falom grawitacyjnym astrofizycy otrzymali nowe narzędzie, które sprawdzi się tam, gdzie nie potrafimy zajrzeć, bazując na obserwacji światła. Badając fale grawitacyjne jesteśmy w stanie dotrzeć z różnymi pomiarami do bardzo odległych obszarów, które dotychczas pozostawały poza naszym zasięgiem. Tym samym robimy kolejny, malutki krok w kierunku odpowiedzi na pytanie Leibniza "dlaczego istnieje raczej coś niż nic"? Albo, traktując sprawę trochę mniej poważnie, na "Wielkie Pytanie o życie, wszechświat i całą resztę".

W artykule wykorzystałem informacje z serwisów Polgraw, Wyborcza, Phys.org, Węglowy Szowinista i Astronomy.