W nauce często się zdarza, że niektóre zjawiska najpierw zostaną przepowiedziane nie na podstawie obserwacji, ale czystej teorii i obliczeń. Przykładem tego są niedawno odkryte fale grawitacyjne. Już 100 lat temu ich istnienie zapowiedział Albert Einstein i zawarł je w swojej teorii względności, lecz cały wiek nie byliśmy w stanie ich zaobserwować. Dzięki rozwojowi techniki ich istnienie zostało potwierdzone – 11 lutego 2016 roku pojawiła się oficjalna informacja o odkryciu.

Już 100 lat temu Albert Einstein odkrył, że przez przestrzeń kosmiczną stale przechodzą fale grawitacyjne. Wpływają na to zderzenia czarnych dziur, wirujące pulsary, wybuchające gwiazdy – zdarzenia, o których na co dzień nie myślimy, a które w Kosmosie są bardzo powszechne. Wszystkie te zjawiska są źródłem fal grawitacyjnych, a te – prędzej czy później – docierają także do naszej Ziemi. Pozostawały tajemnicą przez prawie wiek i dopiero teraz, dzięki rozwojowi technologii, teoria stała się możliwa do obserwacji. 11 lutego 2016 roku zespół naukowców poinformował oficjalnie o wykryciu fal grawitacyjnych – zostały zarejestrowane 14 września 2015 roku.

Od teorii…

Fala grawitacyjna to po prostu drganie pola grawitacyjnego. Można sobie wyobrazić, że fale grawitacyjne to zmarszczki na powierzchni czasoprzestrzeni, które dodatkowo rozchodzą się z prędkością światła. Ich źródłami są ciała poruszające się z przyspieszeniem, ale aby fala była możliwa do obserwacji, ciało musi być bardzo masywne, a jego przyspieszenie bardzo duże. Istnienie fal grawitacyjnych wynika z ogólnej teorii względności Einsteina. Uważa się, że ich źródłami są przede wszystkim układy podwójne zawierające składniki zwarte, takie jak gwiazdy neutronowe i czarne dziury. Fale grawitacyjne powstawały prawdopodobnie także w wyniku dynamicznej ekspansji młodego wszechświata.
Do tej pory uzyskiwano dowody pośrednie potwierdzające ich istnienie. W 1993 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki otrzymali Russel Hulse oraz Joseph Taylor za zaobserwowanie zjawiska zwalniania dwóch bardzo szybko obiegających się obiektów wskutek emisji energii w postaci fal grawitacyjnych. Mierzyli ruch dwóch gwiazd neutronowych, a wyniki pokryły się z przewidywaniami ogólnej teorii względności.

…do obserwacji

Fale grawitacyjne są niezwykle trudne w obserwacji. Zostały dostrzeżone dzięki współpracy amerykańskiego projektu LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory, czyli Laserowe Obserwatorium Interferometryczne Fal Grawitacyjnych) oraz europejskiego VIRGO.
LIGO składa się z dwóch identycznych instalacji: jedna znajduje się w stanie Waszyngton, a druga w Luizjanie. Są oddalone od siebie o ponad 3 tys. kilometrów. Z góry instalacja LIGO przypomina literę L. Jest zbudowana z dwóch rur o długości 4 km każda, które stykają się pod kątem prostym. Średnica rur budujących ramiona ma dwa metry, a w ich środku zostały umieszczone rury ze stali nierdzewnej. W samym środku panuje niemal idealna próżnia. Laser i rozdzielacz wiązki znajdują się w miejscu, w którym łączą się rury. Działanie polega na rozdzieleniu wiązki światła i skierowaniu jej jednocześnie do obu ramion. Wiązki docierają do zwierciadeł, które znajdują się na końcu każdej rury, następnie odbijają się około stu razy w celu zwiększenia dokładności pomiaru i dopiero potem trafiają do fotodetektora. Aby poznać różnicę dróg przebytych przez wiązki, komputer porównuje je i dzięki zjawisku interferencji dokonuje potrzebnych obliczeń. Normalnie drogi nie powinny różnić się między sobą, jednak kiedy przez Ziemię przejdzie fala grawitacyjna, jedno z ramion detektora nieco się wydłuży, przez co jedna z wiązek dotrze do fotodetektora odrobinę później.
Problem stanowi skala zjawiska. Nawet największe przewidywane zaburzenie czasoprzestrzeni zmieni długość ramion o mniej niż jedną tysięczną części średnicy protonu. Podczas projektowania LIGO główną trudnością było wyeliminowanie zakłóceń, które mogły być wywołane przez np. wstrząsy sejsmiczne czy przelot samolotu. Stąd pomysł na utworzenie dwóch urządzeń LIGO oddalonych od siebie o tysiące kilometrów. Wtedy nawet jeśli w okolicy jednego z nich nastąpią zakłócenia, drugi pozostanie bezpieczny. Oprócz tego opracowano wiele systemów tłumiących drgania i programy, które odsiewają wyniki badań od zakłóceń.

Współczesne odkrycie

Odkryta fala grawitacyjna dotarła do nas z odległości 1,3 miliarda lat świetlnych. Zniekształciła czasoprzestrzeń, przez co w ciągu ułamka sekundy jeden z promieni lasera w laboratorium VIRGO przebył nieco dłuższą drogę. Fale zostały już bardzo osłabione, ale ich źródło było niezwykle potężne. 1,3 miliarda lat temu w odległej galaktyce dwie czarne dziury o masach 29 i 36 mas Słońca połączyły się ze sobą. W wyniku tego wydarzenia powstała czarna dziura o łącznej masie mniejszej niż 65 mas Słońca, bo część energii (mniej więcej równa trzem masom Słońca) uciekła w postaci fal grawitacyjnych. Zaobserwowanie tej fali było zadaniem polskiej części zespołu pod kierownictwem profesora Andrzeja Królaka z Instytutu Matematycznego Polskiej Akademii Nauk. W zespole pracuje 15 osób, które na co dzień analizują dane i modelują układy zdolne do tworzenia silnych fal grawitacyjnych. Według zespołu takie wydarzenia są w Kosmosie dość częste i możliwe do obserwacji. Zlewanie się czarnych dziur powoduje powstanie specyficznego sygnału – gwiazdy wirując wokół siebie, wytwarzają fale, a to pochłania ich energię. Przez to z kolei zbliżają się, a wirowanie przyspiesza. Fale mają coraz wyższą częstotliwość i są coraz liczniejsze. Aż do momentu zlania się czarnych dziur następuje szybsza utrata energii, zbliżanie się składników układu oraz dalszy wzrost częstotliwości. Całe zdarzenie pozostawia po sobie charakterystyczny ślad, który upewnił naukowców, że sygnał to fala grawitacyjna, a nie błąd pomiaru.

Projekt Einstein@Home

W poszukiwaniu fal grawitacyjnych może pomóc każdy człowiek za pomocą własnego komputera. Bruce Allen z Uniwersytetu z Wisconsin przewodniczy grupie naukowców, którzy wspierają projekt LIGO Scientific Collaboration. Einstein@Home został stworzony do przetwarzania danych, które uzyskuje LIGO w USA i Obserwatorium Fal Grawitacyjnych (GEO 600) w Niemczech. Laboratoria odbierają sygnały docierające na Ziemię, których źródłem są wirujące z dużymi prędkościami gwiazdy neutronowe (pulsary). Według naukowców niektóre z nich nie są sferyczne i mogą wysyłać specyficzne fale grawitacyjne. Badacze wzięli pod uwagę nieograniczoną moc połączonych siecią komputerów osobistych i dlatego stworzyli internetowy program do wspierania ich obliczeń. Wynika z tego, że każdy z nas może wspierać badania nad pulsarami i falami grawitacyjnymi. Do wzięcia udziału niezbędny jest mały program w postaci wygaszacza ekranu, który należy zainstalować na komputerze. Wygaszacz pobierze porcje danych z centrum LIGO – przetwarzanie danych rozpocznie się, kiedy komputer przejdzie w stan spoczynku. Po wykonaniu obliczeń pakiet danych wróci do centrum, gdzie dołączy do większych zbiorów. Einstein@Home można znaleźć na stronie www.physics2005.org.

Artykuł autorstwa Joanny Marii Więckowskiej ukazał się w Miesięczniku Studentów Politechniki Wrocławskiej ŻAK.