Zostań w domu, zamów taniej!
Nie wychodź z domu i zamów online swoje ulubione pisma 20% taniej. Skorzystaj z kodu rabatowego: czytajwdomu

Czasoprzestrzeń falująca sama w sobie

Czasoprzestrzeń falująca sama w sobie
e-suplement
Odkrycie fal grawitacyjnych potwierdza rozmaite teorie, w tym ogólną teorię względności Einsteina. Dowodzi jednocześnie tego, jak uporczywie Wszechświat strzeże swych tajemnic.

Odkryciu temu nadaje się rangę nieomal noblowską. Zespół astrofizyków z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics zarejestrował niedawno fale grawitacyjne z wczesnej fazy tworzenia się Wszechświata, zwanej czasem inflacyjną. Istnienie zjawiska fal grawitacyjnych przewidział już Einstein w ogólnej teorii względności (1). O ile jednak poszczególne elementy tej teorii były stopniowo potwierdzane doświadczalnie, o tyle nie udało się to dotąd w przypadku fal grawitacyjnych. Są one bowiem wyjątkowo trudne do zaobserwowania.

Przewidywania teoretyczne ogólnej teorii względności Einsteina mówiły o powstawaniu takich fal podczas interakcji ciał kosmicznych. A ponieważ fale zarejestrowane obecnie przez naukowców powstały 13,8 mld lat temu, są przy okazji dowodem wspierającym teorię Wielkiego Wybuchu. Zwłaszcza tej jej części, która mówi o fazie inflacyjnego rozszerzania się wszechświata, trwającej od 10-36 sekundy do prawdopodobnie 10-32 sekundy po Wielkim Wybuchu, kiedy to powstawało zróżnicowanie rozkładu energii i masy, jakie obecnie obserwujemy (2). Oznacza to również, że pośrednio potwierdzono istnienie hipotetycznej cząsteczki przenoszenia tego oddziaływania - tzw. grawitonu.

2. Historia Wszechświata od Wielkiego Wybuchu

Fale grawitacyjne to w ogólnej teorii względności Alberta Einsteina przemieszczające się z prędkością światła pofałdowania w czasoprzestrzeni (3).

3. Rozchodzenie się fal grawitacyjnych

W mechanice nierelatywistycznej fala ta objawia się jako rozchodzące się drgania pola grawitacyjnego. Źródłem fal grawitacyjnych jest ciało poruszające się z przyspieszeniem. Do uzyskania obserwowalnych efektów musi mieć ono bardzo duże przyspieszenie i ogromną masę.

Wielkie naukowe osiągnięcie astrofizyków z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics stało się możliwe dzięki teleskopowi BICEP2 (Cosmic Extragalactic Polarization 2), który zdolny jest do niezwykle czułej detekcji najbardziej nawet ulotnych sygnałów świetlnych. Operuje w szczególnych warunkach, na położonej na Biegunie Południowym stacji polarnej Amundsen-Scott. Detekcja tych pierwotnych fal jest ekstremalnie trudnym zadaniem, ponieważ przechodząc przez Wszechświat, wpływają one na czasoprzestrzeń, czyli oddziałują z narzędziami pomiarowymi.

Obserwacja osobliwości

W fizyce mówimy, że każdy ruch drgający (oscylacja) może być źródłem powstania fal. Jeżeli rytmicznie uderzamy końcem kijka o powierzchnię wody stawu, to powstają na niej fale kołowe: od miejsca uderzeń rozbiegające się promieniście we wszystkich kierunkach. Analogicznie możemy sądzić, że w polu grawitacyjnym będą też rozchodzić się zaburzenia, czyli fale, o ile źródło tego pola będzie podlegać oscylacjom. Wystarczy, żeby kosmiczny obiekt, np. gwiazda, wykonywał takie oscylacje, a na pewno jego pole grawitacyjne będzie rozprowadzać w sobie owe zaburzenia określonych parametrów.

Jednak pole grawitacyjne to geometria czasoprzestrzeni, a dokładnie jej krzywizna. Tym samym fale grawitacyjne muszą być periodycznymi zmianami wartości krzywizny czasoprzestrzeni, rozbiegającymi się w niej samej. Prędkość rozchodzenia się fal grawitacyjnych jest równa prędkości światła w próżni. Ich natężenie (amplituda) i częstotliwość zależą od mas źródłowych, częstotliwości ich drgań oraz od odległości detektora od źródła.

Kosmicznymi źródłami fal grawitacyjnych mogą być gwiazdy o masach dużo większych od Słońca (np. stukrotnie), znamy ich jednak niewiele. Lepszymi kandydatkami są gwiazdy osobliwe o monstrualnych gęstościach, np. neutronowe lub supernowe II typu. Jeszcze bardziej nadają się pod tym względem czarne dziury mające moment obrotowy. W związanej z nimi czasoprzestrzeni powstają specyficzne zaburzenia krzywizny (skręcenie), które rozprzestrzeniają się i być może da się je zarejestrować na Ziemi.

Najlepszymi jednak kandydatami na źródła intensywnych fal grawitacyjnych są układy podwójne gwiazd zawierające różne kombinacje gwiazd neutronowych i czarnych dziur: podwójne gwiazdy neutronowe, podwójne czarne dziury (4), układy czarnych dziur i gwiazd neutronowych.

4. Wizualizacja fal grawitacyjnych rozchodzących się wokół dwóch czarnych dziur

Masywne, gęste ciała okrążające się po ciasnych orbitach emitują (jako oscylatory) fale grawitacyjne, tracąc tym samym energię. Powoli zacieśniają się, a ich okres obiegu maleje, fale stają się coraz mocniejsze i o coraz to większej częstotliwości. W fazie końcowej dochodzi do katastroficznego połączenia się (koalescencji) w jedną czarną dziurę. I właśnie wtedy następuje wybuchowa emisja potężnego impulsu falowego, który może być zarejestrowany na Ziemi.

Wyjrzeć przez nowe okno

Fale grawitacyjne to prawdopodobnie nowe i potężne "okno" dla astronomii obserwacyjnej, obok fal elektromagnetycznych (widzialnych, radiowych, rentgenowskich itd.). Na podstawie ich struktury będzie można identyfikować i badać obiekty osobliwe, takie jak np. układy gwiazd osobliwych lub pojedyncze gwiazdy osobliwe (supernowe, pulsary, czarne dziury).

Odkrycie pierwotnych fal grawitacyjnych pokazuje siłę i słabość nauki. Siła jest tu oczywista, bo chodzi o wielkie osiągnięcie. Słabość wynika jednak z tego, z jakim trudem i mozołem trzeba wydzierać Wszechświatowi jego tajemnice. A przecież chodzi tylko o potwierdzenie liczącej blisko sto lat teorii i koncepcji powstania Wszechświata, która jedynie z pozoru jest pewna.

 

Przeczytaj także
Magazyn