Przełomowe odkrycie: zaobserwowano na Ziemi zmarszczki czasoprzestrzeni

Wyniki eksperymentu ogłoszono na konferencjach odbywających się równolegle w USA i we Włoszech. Swoją zorganizowała też w Warszawie Polska Akademia Nauk. W badaniach brali udział naukowcy z kilkunastu krajów - w tym z Polski. To badacze związani z eksperymentami przy detektorach LIGO w USA oraz Virgo we Włoszech - łącznie ponad 130. osób (w tym 15 Polaków).

1. września 2015 dwa detektory amerykańskiego obserwatorium LIGO - oddalone od siebie o 3 tys. km (jeden w Waszyngtonie, drugi w Luizjanie) - zarejestrowały niemal jednocześnie sygnał fal grawitacyjnych pochodzących ze zderzającego się układu dwóch czarnych dziur. - To pierwsza bezpośrednia rejestracja sygnału grawitacyjnego na Ziemi - powiedział Andrzej Królak z Instytutu Matematycznego PAN w Warszawie i Narodowego Centrum Badań Jądrowych. Prof. Królak jest liderem polskiej grupy naukowców uczestniczących w tym projekcie.

To, co zaobserwowali naukowcy, to dowody na kosmiczną katastrofę. - To były dwie czarne dziury. Jedna o masie 2. mas Słońca, a druga o masie 36 mas Słońca. Te czarny dziury zlały się w czarną dziurę o masie 62 mas Słońca. Pozostałe 3 masy Słońca zostały wypromieniowane jako fale grawitacyjne. I ten sygnał został zaobserwowany na Ziemi - powiedział prof. Królak. Zaznaczył, że choć samo zderzenie czarnych dziur trwało krócej niż mgnienie okiem i nastąpiło ponad 1 mld lat temu, to było naprawdę potężne. Prędkość, jaką czarne dziury osiągnęły tuż przed zderzeniem to połowa prędkości światła (150 tys. km/sek.). Pochodząca z tej kosmicznej katastrofy fala grawitacyjna podróżowała z prędkością światła przez Wszechświat i dopiero w zeszłym roku dotarła do Ziemi.

- Sygnał, jaki zarejestrowaliśmy, trwał zaledwie 0,1. sekundy, ale był niezwykle wyraźny i zgadzał się bardzo dokładnie z modelami przewidzianymi przez ogólną teorię względności Einsteina - powiedział prof. Królak. Dodał, że istnienie fal grawitacyjnych przewidywała ogólna teoria względności Einsteina. Dotychczas odnaleziono jedynie pośrednie dowody na to, że fale grawitacyjne istnieją i że Einstein również i w tym punkcie swojej sławnej teorii miał rację.

- Mamy dwa odkrycia w jednym. Już sama bezpośrednia detekcja fal grawitacyjnych ma fundamentalne znaczenie. Ale dodatkowo mamy też odkrycie układu podwójnego czarnych dziur, który nigdy dotąd jeszcze nie był zaobserwowany - skomentował Królak. Dodał, że taki układ zapewne nie generuje ani światła, ani fal radiowych, a jedynie falę grawitacyjną.

- Otwiera się przed nami nowa dziedzina astronomii - astronomia fal grawitacyjnych. Jesteśmy w przełomowym momencie - zwrócił uwagę naukowiec. Wyjaśnił, że dalsze badania nad falami grawitacyjnymi być może rzucą światło na to, co się dzieje za horyzontem zdarzeń w czarnych dziurach i podpowiedzą, czym może być występująca w czarnej dziurze osobliwość. To fascynujące dla fizyków pytania, na które nie ma jeszcze jasnej odpowiedzi.

Amerykańskie detektory, które wykryły "zmarszczki" w czasoprzestrzeni, to monumentalne interferometry laserowe. Ich tunele mają kształt litery L, a każde z ich ramion ma po 4 km długości. We wnętrzu tych ramion biegnie światło lasera. W uproszczeniu chodzi o sprawdzanie z niezwykłą precyzją (do tysięcznych średnicy protonu), czy długość jednego ramienia instalacji zmienia się w stosunku do długości drugiego ramienia. Mogłoby się wydawać, że wyniki będą zawsze takie same. A okazuje się, że nie. Przechodząca przez Ziemię fala grawitacyjna - którą ciężko wychwycić, bo na chwilę odkształca całą czasoprzestrzeń wokół nas - może się zdradzić właśnie poprzez wyniki pomiarów w interferometrze. To właśnie zaobserwowano 1. września.

- Fala grawitacyjna powoduje pewne zaburzenia krzywizny czasoprzestrzeni. To powoduje, że drogi optyczne w dwóch ramionach są trochę różne. Bo kiedy czasoprzestrzeń się zmienia - światło może podróżować jednym ramieniem trochę dłużej, a drugim - trochę krócej - opowiedział Andrzej Królak.

Problemem jest nie tylko to, by te sygnały z odpowiednią precyzją zarejestrować, ale również wydobyć z szumu. Przydają się w tym metody analizy danych - w tym metody statystyczne, nad którymi pracował prof. Królak.

Amerykańskie interferometry LIGO pracują - ramię w ramię - z trochę mniejszym interferometrem Virgo we Włoszech (jego ramiona mają długość 3 km). Virgo jednak nie zaobserwował we wrześniu fal grawitacyjnych. Przechodził wtedy akurat renowację. Pracę wznowi pod koniec tego roku. Wspólna praca urządzeń da większe możliwości zbadania kolejnych fal grawitacyjnych - m.in. dokładniejszego określania, z którego miejsca w kosmosie sygnały pochodzą.

To, że Virgo nie zarejestrował na razie fal grawitacyjnych nie ujmuje jednak splendoru badaczom, którzy pracowali w tym projekcie. Także Polakom, którzy przy Virgo pracowali w ramach zespołu Polgraw. Już dawno temu zespoły z Europy i Ameryki umówiły się, że pod badaniami podpisywać się będą wspólnie - niezależnie od tego, w którym interferometrze dokonają odkrycia.

- Polacy w tym projekcie nie tylko nosili halabardę, ale odegrali poważniejszą rolę - skomentował wiceprezes PAN prof. Paweł Rowiński. Jak wymienił, zadaniami Polaków w projekcie była analiza danych uzyskanych z amerykańskich detektorów LIGO, prowadzenie badań źródeł astrofizycznych fal grawitacyjnych, budowa modeli sygnałów fal grawitacyjnych oraz udział w rozbudowie detektora Virgo.

Jak powiedział, w projekcie uczestniczyli badacze z Instytutu Matematycznego PAN, Centrum Astronomicznego im. Mikołaja Kopernika PAN, Narodowego Centrum Badań Jądrowych, a także Uniwersytetów: w Białymstoku, Mikołaja Kopernika w Toruniu, Warszawskiego, Wrocławskiego i Zielonogórskiego.

- Spodziewam się, że do końca roku fale grawitacyjne zaobserwujemy jeszcze kilkanaście, a może nawet kilkadziesiąt razy - ocenił prof. Królak. Naukowcy mają nadzieję, że w interferometrach Virgo i LIGO będzie się dawało wykrywać fale grawitacyjne wywoływane nie tylko przez kolejne zderzenia czarnych dziur, ale i zderzenia gwiazd, rotujące gwiazdy neutronowe czy wybuchy supernowych. Prof. Królak zaznaczył, że fale grawitacyjne powstają wszędzie - również i na Ziemi. Są jednak tak nieznaczne, że być może nigdy nie będziemy ich w stanie zaobserwować.

W marcu 201. r. inny zespół naukowców badających fale grawitacyjne zaliczył sporą wpadkę i ogłosił odkrycie fal grawitacyjnych bazując na błędnych interpretacjach. Wtedy wyniki pochodziły z zupełnie odmiennego typu badań - obserwacji mikrofalowego promieniowania tła za pomocą teleskopu BICEP2. Z czasem okazało się, że w badaniach tych jest błąd (nie uwzględniono pewnych istotnych czynników). Rok temu publikację publicznie odwołano. - Tym razem pomyłka jest w zasadzie niemożliwa - wyjaśnił prof. Królak. Naukowcy musieliby mieć niezłego pecha - przypadkowe zaobserwowanie tak silnego sygnału w dwóch interferometrach jednocześnie, to zdarzenie, które może mieć miejsce najwyżej raz na 200 tys. lat.