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