Kosmiczne katastrofy

Trzęsienia czasoprzestrzeni
Europejski detektor fal grawitacyjnych VIRGO. Fale na przemian wydłużają i skracają jego ramiona, co mierzy się dokładnością do jednej stubiliardowej centymetra.
Virgo

Europejski detektor fal grawitacyjnych VIRGO. Fale na przemian wydłużają i skracają jego ramiona, co mierzy się dokładnością do jednej stubiliardowej centymetra.

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.

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.

Czytaj także

Co nowego w nauce?

W nowej POLITYCE

Zobacz pełny spis treści »

Poleć stronę

Zamknij
Facebook Twitter Google+ Wykop Poleć Skomentuj

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

Powrót na stronę główną