Nowy oddech astronomii fal grawitacujnych. LIGO już od roku ponownie wsłuchuje się w drgania Wszechświata
Obserwatorium LIGO to tak naprawdę dwa detektory fal grawitacyjnych: LIGO Livingston Observatory (współrzędne geograficzne – 30°33′46.42″N 90°46′27.27″W) w stanie Luizjana oraz LIGO Hanford Observatory, (46°27′18.52″N 119°24′27.56″W) w stanie Waszyngton (1). Miejsca te dzieli odległość 3002 kilometrów w linii prostej wskroś ziemskiej sfery i 3030 kilometrów, mierząc po powierzchni Ziemi. Oczekuje się, że fale grawitacyjne przemieszczają się z prędkością światła, zatem odległość ta odpowiada różnicy w czasie przybycia fal grawitacyjnych wynoszącej do dziesięciu milisekund. Pomaga to określić źródło fali, zwłaszcza że w lokalizacji wspomaga układ LIGO trzeci podobny instrument, detektor Virgo, znajdujący się pobliżu Pizy we Włoszech. Ten zresztą także przeszedł modernizację i miał się przyłączyć do projektu wykrywania fal grawitacyjnych jesienią 2023 r., ale, według dostępnych informacji, stało się to dopiero w kwietniu 2024. W zespole jest też od maja ub. roku KAGRA, detektor fal grawitacyjnych znajdujący się pod górą Ikenoyama w Japonii.
Rodzina interferometrów ma się jeszcze powiększyć w najbliższych latach. Rząd Indii ogłosił, że sfinansuje LIGO-India, replikę amerykańskich obserwatoriów, która zostanie zbudowana częściowo z zapasowych komponentów LIGO. LIGO-India, znany też jako INDIGO, ma powstać w pobliżu miejsca pielgrzymek Aundha Nagnath w dystrykcie Hingoli w stanie Maharashtra w zachodnich Indiach. Podobnie jak bliźniacze obserwatoria w Stanach Zjednoczonych indyjski interferometr będzie zbudowany z dwóch linii łączących się pod kątem prostym, o wymiarach 4 na 4 kilometry. Ze względu na położenie po przeciwnej stronie globu niż Stany Zjednoczone indyjski detektor LIGO będzie mierzyć fale grawitacyjne w innej polaryzacji. Binarne układy gwiazd emitują fale grawitacyjne, które są spolaryzowane w układzie kolistym. Amerykańskie detektory LIGO wykrywają tylko jedną część tej polaryzacji, a naukowcy nie mogą na podstawie detekcji stwierdzić, pod jakim kątem widzą orbitę. Utrudnia to oszacowanie odległości od źródła fal grawitacyjnych. Budowa LIGO India, które ma w tym pomóc, ma zostać ukończona do końca 2030 roku.
Zdjęcie: stock.adobe.com
Począwszy od historycznej pierwszej detekcji LIGO w 2015 roku, większość z około dziewięćdziesięciu zarejestrowanych do tej pory zdarzeń fal grawitacyjnych pochodziła z par czarnych dziur w procesie ich łączenia się (2). Niektóre z wykrytych fal powstały wskutek połączenia dwóch gwiazd neutronowych lub też gwiazdy neutronowej z czarną dziurą. Wcześniej detektor mógł wykrywać zderzenia tylko raz na tydzień. Wprowadzone podczas przerwy technicznej ulepszenia w LIGO mają pozwolić detektorom na mówiąc najogólniej, powiększenie zakresu wykrywalności i odbieranie sygnałów zderzających się czarnych dziur częściej, co dwa do trzech dni. Dzięki pracom poprawiającym czułość, które przeszły także inne detektory, powinny wydobyć bardziej szczegółowe informacje na temat obiektów wytwarzających fale grawitacyjne w naszym Wszechświecie. Być może detektory te pomogą nam nawet pewnego dnia zajrzeć do serc czarnych dziur. Uczeni chcieliby wychwycić sygnał grawitacyjny zapadającej się gwiazdy, zanim przejawi się to w postaci eksplozji supernowej. Są też nadzieje na wykrywanie ciągłych fal grawitacyjnych wytwarzanych przez nierówności na powierzchni pulsarów.
LIGO, Virgo i KAGRA opierają się na tej samej koncepcji – interferometru, w którym wiązka laserowa dzieli się na dwie części, odbijane między dwoma zwierciadłami na obu końcach długiej rury próżniowej (w LIGO dwa „ramiona” interferometru mają po 4 km długości; w Virgo i KAGRA mają po 3 km). Następnie obie wiązki wracają i nakładają się na czujnik ulokowany centralnie. W przypadku braku jakichkolwiek zakłóceń w czasoprzestrzeni oscylacje wiązek wzajemnie się znoszą. Jednak przejście fal grawitacyjnych powoduje zmianę długości ramion względem siebie, przez co fale nie nakładają się idealnie, a czujnik wykrywa niezgodność jako sygnał fal grawitacyjnych. Typowe zdarzenia związane z falami grawitacyjnymi zmieniają długość ramion interferometru zaledwie o ułamek średnicy protonu.
Wykrywanie tak drobnych zmian wymaga starannej izolacji od szumów pochodzących z otoczenia i samych laserów. Gdy wiązki docierają do czujnika, każdy zakłócony foton może dotrzeć nieco za wcześnie lub za późno, co oznacza, że fale laserowe nie nakładają się na siebie i doskonale się znoszą, nawet przy braku fal grawitacyjnych. Również ze względu na zasady mechaniki kwantowej zmniejszenie niepewności co do czasu przybycia fotonów zwiększa losowe fluktuacje intensywności fal laserowych. Powoduje to, że lasery naciskają na lustra interferometru i powodują ich drgania, dodając inny rodzaj szumu i potencjalnie zmniejszając ich czułość na fale grawitacyjne o niskiej częstotliwości. W aktualizacjach przeprowadzonych przed obserwacjami w latach 2019–2020, LIGO i Virgo poradziły sobie z niektórymi z tych szumów za pomocą techniki zwanej ściskaniem światła. Zbudowano dodatkowe 300-metrowe rury próżniowe z lustrami na końcach, aby przechowywać pomocniczą wiązkę „ściskającą” przez 2,5 milisekundy przed wstrzyknięciem jej do interferometru. Ściskanie jest selektywne: zmniejszy szum przy wysokiej częstotliwości, jednocześnie zmniejszając drgania lustra przy niskich częstotliwościach.
Co ciekawe, owo „ściskanie” może pozwolić ulepszonej wersji LIGO na coś, co uczeni czasem nazywają obserwacjami kwantowymi, prowadzącymi w efekcie do wykrywania także tych słabszych fal grawitacyjnych. Im słabsza fala grawitacyjna, tym mniejsza zmiana długości ramienia i tym mniejszy wpływ na laser. A kiedy ten efekt staje się naprawdę mały, zderza się ze znaną z mechniki kwantowej zasadą nieoznaczoności Heisenberga, która mówi, że istnieje granica tego, jak dokładnie możemy zmierzyć skorelowaną parę wielkości fizycznych, zwanych „obserwablami”. W praktyce oznacza to, że niektóre fale grawitacyjne pozostawały wcześniej poza możliwościami LIGO. Teraz jednak wydaje się, że „ściskanie” pozwala na obejście tego problemu. Zespół badawczy zmniejsza niepewność jednej „obserwabli”, której chce, np. częstotliwości, kosztem zwiększenia niepewności drugiej, np. amplitudy. „Możemy zmniejszyć niepewność częstotliwości poprzez ‘ściśnięcie’ światła. Ten sprytny pomysł pozwala nam przekroczyć minimalną niepewność lub granicę kwantową detektora LIGO”, wyjaśnia na łamach „Physical Review X” Wenxuan Jia, jeden z głównych autorów pracy na temat tego zagadnienia.
Sto lat historii fal grawitacyjnych, Nobel i co dalej?
Misją LIGO jest, jak wiadomo, bezpośrednia obserwacja fal grawitacyjnych pochodzenia kosmicznego. Fale te zostały po raz pierwszy przewidziane przez ogólną teorię względności Einsteina w 1916 r. Ich istnienie zostało pośrednio potwierdzone, gdy obserwacje binarnego pulsara PSR 1913+16 w 1974 roku wykazały rozpad orbitalny, który pasował do przewidywań Einsteina dotyczących utraty energii przez promieniowanie grawitacyjne.
Odkrycia przyszły dopiero w poprzedniej dekadzie, ale idea detekcji fal grawitacyjnych sięga głęboko w XX wiek. Począwszy od lat 60., amerykańscy naukowcy, w tym Joseph Weber, a także radzieccy – Michaił Gertsenshtein i Vladislav Pustovoit, opracowali podstawowe koncepcje i prototypy interferometrii laserowej. Wkrótce potem, w 1968 roku, Kip Thorne zainicjował teoretyczne prace nad falami grawitacyjnymi i ich źródłami w Caltechu. Prace ziemne nad detektorami, które dziś znamy, rozpoczęły się pod koniec 1994 roku w Hanford, a w 1995, gdy budowa dobiegała końca w 1997 roku, utworzono dwie instytucje: Laboratorium LIGO i Współpracę Naukową LIGO (LSC). W pierwszej swojej wersji detektory zbierały dane od 2002 do 2010 roku, ale nie wykryto fal grawitacyjnych. Projekt Advanced LIGO, mający na celu ulepszenie oryginalnych detektorów LIGO, rozpoczął się w 2008 roku i był wspierany przez Amerykańską Narodową Fundację Nauki (NSF), przy istotnym wkładzie brytyjskiej Rady ds. Nauki i Technologii (Science and Technology Facilities Council), Towarzystwa Maxa Plancka z Niemiec oraz Australijskiej Rady ds. Badań Naukowych (Australian Research Council).
11 lutego 2016 r. zespoły LIGO Scientific Collaboration i Virgo Collaboration opublikowały artykuł o wykryciu fal grawitacyjnych w sygnale z 14 września 2015 r., pochodzących z dwu czarnych dziur o masie około 30 mas Słońca, łączących się w jedną około 1,3 miliarda lat świetlnych od Ziemi. Pięć miesięcy później ogłoszono wykrycie drugiego sygnału pochodzącego z połączenia dwóch czarnych dziur o masach 14,2 i 7,5 razy większych od masy Słońca. Wykrycie trzeciej fuzji czarnych dziur, pomiędzy obiektami o masach 31,2 i 19,4 masy Słońca, miało miejsce 4 stycznia 2017 r. i zostało ogłoszone 1 czerwca 2017 r. To były pierwsze odkrycia w serii nazwanej O1. Drugi cykl obserwacyjny (O2) trwał od 30 listopada 2016 r. do 25 sierpnia 2017 r. Jego niejako zwieńczeniem był fizyczny Nobel 2017. W 2017 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki „za decydujący wkład w detektor LIGO i obserwację fal grawitacyjnych” otrzymali Rainer Weiss, Kip Thorne i Barry C. Barish. Trzeci cykl (O3) rozpoczął się 1 kwietnia 2019 r. i miał trwać do 30 kwietnia 2020 r.; w rzeczywistości został zawieszony w marcu 2020 r. z powodu covid-19. Następny cykl obserwacyjny (O4) miał rozpocząć się w grudniu 2022 roku, ale data została przesunięta na 24 maja 2023 roku.
W istniejących lokalizacjach LIGO planowany jest interferometr trzeciej generacji pod nazwą LIGO Voyager, który ma dwukrotnie poprawić czułość detekcji. Plany przewidują zastąpienie szklanych luster i laserów 1064 nm jeszcze większymi 160-kilogramowymi krzemowymi, chłodzonymi do 123 K (temperatura osiągalna za pomocą ciekłego azotu) oraz zmienioną długością fali lasera do zakresu 1500–2200 nm, przy której krzem staje się przezroczysty. Voyager miałby rozpocząć działanie w 2027–2028 roku. Projekt większego obiektu z dłuższymi ramionami nosi nazwę „Cosmic Explorer”. Jest on oparty na rozwiązaniach LIGO Voyager, ma podobną geometrię w kształcie litery L, ale z ramionami o długości 40 km.
Kosmiczny trójkąt może jeszcze więcej
Pomimo swoich osiągnięć, naziemne obserwatoria mają swoje ograniczenia. Ich rozmiar uniemożliwia im wykrywanie bardzo długich fal grawitacyjnych towarzyszących np. fuzji supermasywnych czarnych dziur. Są one szczególnie interesujące, ponieważ, jak się zakłada, zostały wyemitowane przez kosmiczne wydarzenia, które miały miejsce wkrótce po Wielkim Wybuchu i niosą ze sobą informacje o właściwościach Wszechświata w jego pierwszych chwilach, których nie można wydedukować w żaden inny sposób.
Ograniczenia detektorów naziemnych nasunęły naukowcom myśl, by przenieść wykrywanie fal grawitacyjnych w przestrzeń kosmiczną. Na początku 2024 r. Komitet Programu Naukowego Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA) wydał zgodę na budowę pierwszego kosmicznego obserwatorium fal grawitacyjnych o nazwie Laser Interferometer Space Antenna (LISA). LISA została zaprojektowana do wykrywania fal grawitacyjnych o znacznie większych długościach niż obserwatoria naziemne, umożliwiając naukowcom badanie połączeń supermasywnych czarnych dziur, a nawet zjawisk z pierwszych chwil istnienia Wszechświata. LISA będzie składać się z trzech statków kosmicznych tworzących trójkątny układ z wiązkami laserowymi przemieszczającymi się między nimi na odległość 2,5 miliona kilometrów, co ma pozwolić
na wychwyt fal grawitacyjne o niższych częstotliwościach niż jest to możliwe na Ziemi (3).
Zdjęcie: https://commons.wikimedia.org
Szlak dla obserwatorium LISA przetarła sonda kosmiczna LISA Pathfinder, która została wystrzelona w grudniu 2015 r. w celu przetestowania precyzyjnego pomiaru odległości między poszczególnymi sondami kosmicznymi, co jest niezbędne do działania LISA. W kwietniu 2016 roku naukowcy ESA podali, że dokładność LISA Pathfinder przekroczyła wymagania misji. W wyniku tych badań ESA zatwierdziła projekt LISA, którego budowa ma rozpocząć się w 2025 r., a start planowany jest na połowę przyszłej dekady na pokładzie opracowywanej obecnie europejskiej rakiety nośnej Ariane 6.
Zanim jednak doczekamy się detekcji w kosmosie, mamy szansę na nowe dokonania „astronomii fal grawitacyjnych” na powierzchni Ziemi. W kwietniu 2024 r. zespół LIGO/VIRGO/KAGRA ogłosił wykrycie sygnału wskazującego na fuzję dwóch zwartych obiektów, z których jeden ma nietypową masę pośrednią – cięższy jest niż gwiazda neutronowa i lżejszy niż czarna dziura. Publikacja w serwisie fizycznym arXiv sugeruje, że obiektem tym może być czarna dziura o bardzo małej masie. Sygnał wykryty w obszarze Wszechświata oddalonym od Ziemi o około 650 milionów lat świetlnych wskazuje na rzadkie połączenie gwiazdy neutronowej z, jak podejrzewają astronomowie, zaskakująco lekką czarną dziurą. Kandydat na czarną dziurę, który jest około 2,5 do 4,5 razy cięższy od naszego Słońca, jest cięższy niż ustalona granica 2,5 Słońca dla gwiazdy neutronowej, ale lżejszy niż najlżejsza znana czarna dziura, która waży około pięciu mas Słońca. Mieści się więc być może w „luce masowej”, obszarze mas takich obiektów, którego istnienie było podejrzewane, ale nie było żadnego dowodu, że w tym przedziale istnieją realne obiekty.
Brzmi może mało efektownie, ale jeśli mówimy o astronomii fal grawitacyjnych, to możliwość wykrywania różnorodnych obiektów w tym zakresie sprawia, że to pojęcie ma większy sens. Staje się w większym stopniu techniką obserwacji Wszechświata, a nie tylko wybranych, szczególnych jego zjawisk.
Mirosław Usidus
