Nauka

Trzęsienia czasoprzestrzeni

Kosmiczne katastrofy

Europejski detektor fal grawitacyjnych VIRGO. Fale na przemian wydłużają i skracają jego ramiona, co mierzy się dokładnością do jednej stubiliardowej centymetra. Europejski detektor fal grawitacyjnych VIRGO. Fale na przemian wydłużają i skracają jego ramiona, co mierzy się dokładnością do jednej stubiliardowej centymetra. Virgo
Zjawiska przewidziane przez Einsteina pozwolą astronomom zajrzeć w najdalsze i najbardziej niedostępne zakątki kosmosu.
Okrążające się nawzajem czarne dziury emitują fale grawitacyjne, które można wykryć, mierząc odkształcenia napotykanych przez nie obiektów.NASA Okrążające się nawzajem czarne dziury emitują fale grawitacyjne, które można wykryć, mierząc odkształcenia napotykanych przez nie obiektów.
Kolizja dwóch gwiazd neutronowych, której efektem jest rozbłysk gwiazdy kilonowej (możliwej do zaobserwowania) i emisja fal grawitacyjnych.ESO Kolizja dwóch gwiazd neutronowych, której efektem jest rozbłysk gwiazdy kilonowej (możliwej do zaobserwowania) i emisja fal grawitacyjnych.

Wszechświatem nieustannie wstrząsają potężne kataklizmy. Nie ma sekundy, w której nie wybuchłaby jakaś gwiazda, pozostawiając w miejscu eksplozji swój rdzeń zamieniony w czarną dziurę lub gwiazdę neutronową (zbudowany głównie z neutronów obiekt o masie Słońca, lecz o średnicy zaledwie kilkunastu kilometrów). Średnio co pół minuty dochodzi do zderzenia i zespolenia pary gwiazd neutronowych; co kilka minut – do zderzenia i zespolenia pary czarnych dziur. Zgodnie z ogólną teorią względności Einsteina każda taka katastrofa powoduje swego rodzaju sejsmiczny wstrząs przestrzeni (dokładniej – czasoprzestrzeni), którego echa rozbiegają się po całym kosmosie w postaci fal grawitacyjnych.

Proste sedno zawiłej teorii

Ogólną teorię względności spowija nimb tajemnej wiedzy dostępnej tylko dla wybranych. Jej sedno jest jednak zadziwiająco proste i daje się zilustrować łatwo przyswajalną analogią. Najlapidarniej ujął je John Archibald Wheeler – wybitny amerykański fizyk teoretyk i kontynuator dzieła Einsteina, dzięki któremu terminy „czarna dziura” oraz „tunel czasoprzestrzenny” na trwałe weszły do codziennego języka. W jego autobiografii „Geons, Black Holes and Quantum Foam” (Geony, czarne dziury i piana kwantowa) znajduje się rysunek przedstawiający rozciągliwą membranę, wklęśniętą pod leżącym na niej kamieniem. Po stoku wklęśnięcia stacza się ziarnko żwiru, a podpis pod rysunkiem głosi: „Materia (kamień) mówi czasoprzestrzeni, jak ma się odkształcać; czasoprzestrzeń mówi materii (żwirkowi), jak ma się poruszać”. I to właściwie wszystko – reszta jest konstrukcją matematyczną, której piękno i głębię mogą docenić rzeczywiście tylko nieliczni. Kto rezygnuje z matematyki, musi zadowolić się stwierdzeniem, że czasoprzestrzeń i jej zawartość są ze sobą związane mniej więcej tak samo jak membrana z analogii Wheelera ze znajdującymi się na niej obiektami.

Zapętlenie materii (dokładniej – materii i energii) z czasoprzestrzenią jest przyczyną wielu zjawisk niemieszczących się w klasycznej fizyce newtonowskiej. Dzięki niemu zegar w Zakopanem spóźnia się względem takiego samego zegara umieszczonego na szczycie Giewontu, gwiazdy widoczne podczas zaćmienia Słońca tworzą na niebie nieco inny wzór niż te same gwiazdy oglądane w nocy, a wszechobecne fale grawitacyjne na zmianę ściskają i rozciągają nasze ciała wzdłuż, jednocześnie rozciągając i ściskając je w poprzek. Spóźnienia zegarów i przesunięcia gwiazd są bardzo małe, ale mierzyć je jest stosunkowo łatwo i odpowiednie eksperymenty zostały przeprowadzone już dziesiątki lat temu. Skali odkształceń spowodowanych przez fale grawitacyjne nie da się opisać żadnym przymiotnikiem: są tak mikroskopijne, że ich nikłość graniczy z niebytem. Nic więc dziwnego, że zmierzono je, a tym samym bezpośrednio zaobserwowano fale grawitacyjne, dopiero w 2015 r. – prawie dokładnie sto lat po opublikowaniu ogólnej teorii względności.

Sukces ten został uhonorowany Nagrodą Nobla, którą w ub.r. otrzymali Rainer Weiss z Massachusetts Institute of Technology oraz Barry C. Barish i Kip S. Thorne z California Institute of Technology. Po ponad 40 latach pracy i pokonaniu niezliczonych problemów technicznych kierowany przez nich zespół LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) zbudował przyrząd zdolny do rzeczy zdawałoby się niemożliwej: pomiaru czterokilometrowej odległości z dokładnością do jednej stubiliardowej (10-17) centymetra. To tak, jakby odległość do Proximy Centauri – najbliższej gwiazdy, od której światło biegnie do nas przez 4,3 roku – mierzyć z błędem 0,001 mm.

Od Einsteina do Trautmana

Historia fal grawitacyjnych jest długa i zawiła. W pierwszej połowie XX w. powątpiewano w ich istnienie. I nawet sam Einstein podejrzewał przez pewien czas, że mogą być matematycznym mirażem bez jakiejkolwiek treści fizycznej. Przekonanie o ich realności zaczęło się upowszechniać dopiero na początku lat 60. Niemałe zasługi miał w tym młody polski fizyk Andrzej Trautman (dziś emerytowany profesor Uniwersytetu Warszawskiego), który jako pierwszy otrzymał ścisłe falowe rozwiązanie równań ogólnej teorii względności i dowiódł, że opisane nim fale przenoszą energię. Przyczyną tak długo utrzymujących się kontrowersji były nie tylko problemy związane z matematycznym opisem fal grawitacyjnych, lecz także ich niezwykła natura. Zwyczajne fale, takie jak dźwiękowe czy radiowe, rozchodzą się w przestrzeni, podczas gdy fale grawitacyjne są falami samej przestrzeni (dokładniej – czasoprzestrzeni), którą zwykle kojarzymy z próżnią czy pustką. Niełatwo przyszło oswoić się z falowaniem pustki, a jeszcze trudniej z faktem, że jest w nim zawarta energia, którą można przekazywać obiektom materialnym.

Fale grawitacyjne mówią nam: „nie macie bladego pojęcia, czym jest czasoprzestrzeń” i nie pozostaje nic innego, jak im przytaknąć. Tym bardziej że nie przeszkadza to w praktycznym korzystaniu z opisanych równaniami Einsteina właściwości czasoprzestrzeni (np. bez uwzględniania różnic w tempie upływu czasu na Ziemi i na pokładach satelitów nie działałby system GPS). Zresztą nic nowego pod słońcem: w klasycznej fizyce grawitacja jest przenoszona z jednego obiektu na drugi poprzez próżnię, ale mechanizm tego przenoszenia pozostaje nieobjaśniony. Nie przeszkadza to jednak w szczegółowym (i skutecznym) planowaniu rendez-vous sond kosmicznych z krążącymi w próżni planetami.

Pierwszy sygnał grawitacyjny został zarejestrowany przez zespół LIGO 14 września 2015 r. tuż przed południem naszego czasu. Pochodził od pary okrążających się nawzajem czarnych dziur o masach 29 i 36 M (mas Słońca), które w miarę utraty energii unoszonej przez fale grawitacyjne stopniowo zacieśniały orbitę. Krążyły przy tym coraz szybciej, co z kolei zwiększało tempo utraty energii, aż w końcu zderzyły się i zespoliły w czarną dziurę o masie 62 M. Brakujące w bilansie 3 M opuściły forum delicti pod postacią trwającego ułamek sekundy „błysku” fal grawitacyjnych, który 1,3 mld lat później dotarł do Ziemi. Równie potężnego zjawiska nie zaobserwowano jeszcze nigdy. Gdybyśmy chcieli wyemitować niosący tyle samo energii i tak samo krótki błysk świetlny, musielibyśmy na chwilę zebrać w jednym miejscu wszystkie gwiazdy z dostępnej obserwacjom części Wszechświata i 50-krotnie zwiększyć ich jasność.

Kiedy do LIGO dołączył europejski zespół VIRGO, źródła sygnałów grawitacyjnych zaczęto lokalizować dokładniej. Na tyle dokładnie, że można było podjąć próby zaobserwowania ich za pomocą całego arsenału przyrządów astronomicznych – od radioteleskopów i zwykłych teleskopów po satelity odbierające promieniowanie rentgenowskie i gamma.

Po raz pierwszy udało się to 17 sierpnia 2017 r., gdy LIGO i VIRGO odebrały sygnał pochodzący od pary gwiazd neutronowych. Gwiazda neutronowa tylko kilkakrotnie przewyższa rozmiarami czarną dziurę o tej samej masie, różni się jednak od niej czymś bardzo istotnym: jest zbudowana z niezwykle silnie sprasowanej, ale jednak w miarę normalnej materii. Podczas zderzenia część tej materii zostaje rozproszona w otoczeniu i może wysyłać różnego rodzaju promieniowanie, łącznie ze światłem widzialnym. W tym przypadku dwie sekundy po błysku grawitacyjnym odnotowano błysk promieni gamma, a kilka godzin później w miejscu wskazanym przez LIGO/VIRGO i satelitę obserwującego w zakresie gamma rozbłysła nowa „gwiazda”. Była to radioaktywna chmura, której pojawienie się podczas takiego kataklizmu przewidział wybitny polski astrofizyk Bohdan Paczyński w pracy opublikowanej w 1998 r. wspólnie z doktorantem Li-Xinem Li.

Astronomom dopisało niewiarygodne szczęście. Po pierwsze, całe zdarzenie miało miejsce w odległości 130 mln lat świetlnych, a więc na tyle blisko, że stosunkowo słaby grawitacyjny sygnał od gwiazd neutronowych w ogóle dał się zarejestrować. Po drugie, zarejestrowano go tuż przed 25 sierpnia – dniem, w którym detektory fal wyłączono na ponad rok, by dokonać usprawnień zwiększających ich czułość.

Aktualny bilans pierwszych dwóch lat astronomii fal grawitacyjnych to pięć sygnałów od par czarnych dziur i jeden od pary gwiazd neutronowych („przecieki” z zespołów opracowujących dane zebrane przez LIGO i VIRGO pozwalają spodziewać się dalszych detekcji). Niby to niewiele, ale wagę tych odkryć trudno przecenić. Kip Thorne powiedział: „otworzyliśmy nowy szlak eksploracji, który będzie prowadził nas po Wszechświecie przez całe stulecia”, i nie ma w tym żadnej przesady. Trzy lata temu nie mieliśmy bezpośrednich dowodów na istnienie czarnych dziur i fal grawitacyjnych. Teraz nie tylko jesteśmy pewni, że dziury i fale istnieją, lecz wiemy, że zachowują się (oczywiście w granicach błędu obserwacji) tak, jak tego chce teoria Einsteina.

Zajrzeć pod horyzont

Ale to dopiero początek. Ocenia się, że po zwiększeniu czułości zespół LIGO/VIRGO będzie rejestrował nawet kilka sygnałów dziennie. Prawdopodobnie za niecałe dwa lata rozpocznie regularne obserwacje zbudowany przez Japonię detektor KAGRA. Na 2025 r. przewidziane jest oddanie do użytku umieszczonej w Indiach kopii detektorów LIGO, zaawansowane są też plany budowy dużego europejskiego detektora o nazwie Einstein Telescope. Nadzwyczaj pomyślnie wypadły testy elementów detektora LISA (Laser Interferometer Space Antenna), który będzie zdolny do rejestrowania sygnałów pochodzących od olbrzymich czarnych dziur w centrach najdalszych nawet galaktyk. Jeśli wszystko pójdzie dobrze, Europejska Agencja Kosmiczna umieści go na orbicie wokółsłonecznej w połowie lat 30.

Za pomocą wszystkich tych przyrządów zaobserwujemy zjawiska, których przebiegu możemy się dziś tylko domyślać (np. przemianę wypalonego rdzenia gwiazdy w czarną dziurę lub gwiazdę neutronową) i zbadamy niedostępne dotychczas zakątki kosmosu (choćby pobliże horyzontu czarnej dziury, czyli powierzchni, spod której nie może wydostać się nic – nawet światło). Być może uda nam się zajrzeć pod horyzont i poznać losy materii, która podeń wpada w trakcie formowania się dziury. A może nawet przekonamy się, czym właściwie jest czasoprzestrzeń i dlaczego możliwe są jej trzęsienia.

Polityka 21.2018 (3161) z dnia 22.05.2018; Nauka; s. 60
Oryginalny tytuł tekstu: "Trzęsienia czasoprzestrzeni"
Więcej na ten temat
Reklama

Czytaj także

Społeczeństwo

Rzeź ptaków

Co roku myśliwi zabijają około 200 tys. ptaków. Wyłącznie dla własnej rozrywki. Żadnych innych powodów polowania na ptaki nie ma.

Joanna Podgórska
05.12.2019
Reklama

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną