Narodziny nowej astronomii. Fale grawitacyjne zmieniają oblicze Wszechświata
Dotąd niemal wszystko, co wiemy o Wszechświecie, pochodzi z obserwacji fal elektromagnetycznych - światła widzialnego, ultrafioletu, podczerwieni, promieniowania gamma, rentgenowskiego czy mikrofal. Tymczasem fale grawitacyjne to zupełnie inne, równolegle zachodzące zjawisko. Ich obserwacja pozwala zajrzeć w miejsca, których dotąd nie znaliśmy - do wnętrza supernowej czy gwiazdy neutronowej, w której materia jest ściśnięta bardziej niż w jądrze atomu. Ślady fal grawitacyjnych wywołanych przez Wielki Wybuch są nadal obecne i przemierzają Wszechświat, niosąc informacje o początku kosmosu.
Już dwie detekcje
Na razie mamy na koncie dwie detekcje tego rodzaju fal. W grudniu ubiegłego roku, w drugi dzień Świąt Bożego Narodzenia, fale grawitacyjne zostały zarejestrowane przez oba detektory obserwatorium LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) - znajdujące się w Livingston w stanie Luizjana oraz Hanford w stanie Waszyngton. To był ten drugi raz, oznaczony symbolem GW151226. Pierwsza, historyczna, detekcja miała zaś miejsce we wrześniu ubiegłego roku, a poinformowano o niej w lutym 2016 r. To pierwsze zderzenie czarnych dziur zarejestrowane za pomocą fal grawitacyjnych oznaczane jest jako GW150914.
Podczas drugiego zderzenia, które miało miejsce ok. 1,4 mld lat temu, do wyemitowania fali grawitacyjnej została zużyta ilość energii równa masie Słońca. Wykryty sygnał obejmuje ostatnie 27 orbit czarnych dziur przed połączeniem. W oparciu o czas dotarcia sygnału - detektor w Livingston zarejestrował fale 1,1 milisekundy przed detektorem w Hanford - można oszacować położenie źródła sygnału.
Odkrycie fal grawitacyjnych było kamieniem milowym w fizyce i astronomii - stanowiło też ostateczne potwierdzenie ogólnej teorii względności Alberta Einsteina.
Uważa się je za początek nowej dziedziny nauki: astronomii fal grawitacyjnych. Fakt, że udało nam się zarejestrować aż dwa silne zjawiska w ciągu pierwszych czterech miesięcy obserwacji, pozwala też szacować, jak często możemy w przyszłości obserwować docierające do nas fale grawitacyjne. LIGO umożliwia w zupełnie nowy sposób obserwowanie jednych z najciemniejszych, a jednocześnie najbardziej energetycznych, zjawisk we Wszechświecie.
Astronomowie porównują ostatnie wydarzenia związane z falami grawitacyjnymi do odsunięcia nieprzenikalnych dotychczas zasłon i możliwości przyjrzenia się wreszcie, jak Wszechświat tak naprawdę działa. Fale grawitacyjne to coś zupełnie innego niż fale elektromagnetyczne. Te ostatnie są jak drgania w przestrzennym ośrodku, natomiast fale grawitacyjne to drgania samego ośrodka.
Zobaczymy wszystko?
O tym, że fale grawitacyjne przyniosą rewolucję, przekonanych jest wielu naukowców, w tym sławny Stephen Hawking. „Fale grawitacyjne dają możliwość zupełnie nowego spojrzenia na Wszechświat. Sama możliwość ich wykrycia i rejestracji kryje w sobie potencjał zrewolucjonizowania astronomii”, przekonuje naukowiec.
„Do końca tej dekady będziemy dokonywać co najmniej jednej detekcji fal grawitacyjnych na miesiąc”, oceniał z kolei w rozmowie z serwisem internetowym „The Register” Ken Strain, profesor fizyki Uniwersytetu w Glasgow, zaangażowany w rozwój detektora LIGO.
Wielu naukowców w wywiadach i komentarzach wyraża wiarę, że po pierwszych odkryciach nastąpią kolejne. Detektory fal grawitacyjnych zaczną wykrywać wiele różnych sygnałów, pochodzących od różnych bardzo ciekawych obiektów w kosmosie. Nie wyklucza się przemeblowania wielu ustalonych teorii i poglądów. Być może trzeba będzie całkiem od nowa pisać podręczniki astronomii.
Na razie istnieją trzy detektory fal grawitacyjnych: dwa w Stanach Zjednoczonych, tworzące LIGO, i jeden we Włoszech. Powstają jednak kolejne. W Japonii w 2018 r. gotowy ma być KAGRA, czyli Kamioka Gravitational Wave Detector. Będzie czulszy niż nowa wersja LIGO (Advanced LIGO). Zwierciadła KAGRA mają być kriogenicznie zabezpieczone przed wpływami termicznymi.
Połączenie obserwacji elektromagnetycznych z grawitacyjnymi może oznaczać rewolucję podobną do połączenia tradycyjnej fotografii rentgenowskiej z tomografią w medycynie. W latach 30. wystartować ma kosmiczny detektor eLISA, który wraz z nowymi teleskopami działającymi w innych zakresach może nam pokazać kosmos od strony, jakiej nigdy nie poznaliśmy.
Oczywiście nagrodą główną w tej grze będzie detekcja fal grawitacyjnych pochodzących z samego początku Wszechświata - tych, które powstały w momencie Wielkiego Wybuchu. „Zobaczylibyśmy” wówczas początek wszystkiego. I kto wie, może wtedy właśnie wszystko byśmy zrozumieli…
Zapraszamy do lektury Tematu numeru w najnowszym wydaniu miesięcznika "Młody Technik".
