Czym są te owiane sławą fale grawitacyjne?
Zaburzeniami czasoprzestrzeni, a rozwijając to nadal enigmatyczne określenie, są to rozchodzące się fale, które wraz z upływem czasu przemierzają wszechświat. Fale grawitacyjne manifestują swoją obecność przez lokalne kurczenie i rozszerzanie elementów składowych wszechświata. Podobnie jak fale rozchodzące się we wprawionej w oscylacje sprężynie, czy też fale rozchodzące się po wodzie w skutek rzucenia kamienia, fale grawitacyjne rozchodzą się we wszechświecie i oddziałują zarówno na nas, jak i nasze otoczenie oraz w ujęciu globalnym, naszą planetę.
Jak powstają takie fale?
Otóż podobnie jak w laserze, gdzie na skutek zmiany kierunku ruchu cząstek elementarnych dochodzi do emisji światła (fali elektromagnetycznej), tak fale grawitacyjne powstają w rezultacie zmian ruchu ogromnych obiektów, jak czarne dziury. Przykładowo, spowolnienie ruchu czarnej dziury wiąże się z utratą energii emitowanej jako fala grawitacyjna.
Co ma z tym wspólnego Einstein?
Takie zjawisko postulował ponad sto lat temu Albert Einstein. Intrygowało ono fizyków przez lata, jednak na przeszkodzie stała techniczna możliwość detekcji takiego zjawiska. Źródło fal grawitacyjnych może mieć miejsce miliardy lat świetlnych od Ziemi (na szczęście w naszym najbliższym otoczeniu nie ma czarnych dziur, gdyż mogłoby to oznaczać rychły koniec naszej planety). Fale takie również podlegają tłumieniu i po dotarciu do naszego globu są w stanie dokonać przemieszczeń materii w skali atomowej.
Jak zmierzyć fale?
Reiner Weiss z MIT od lat 70. ubiegłego wieku zajmował się analizą zakłóceń, które mogłyby utrudnić detekcję fal grawitacyjnych. W tym celu zaprojektował układ do pomiaru bazujący na zjawisku interferencji. Eksperymenty LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) wykorzystują właśnie interferometr, czyli narzędzie do pomiaru nakładania się fal elektromagnetycznych wygenerowanych za pomocą laserów. Interferometr ma kształt litery L. Lasery generują światło w punktu styku dwóch ramion, które rozchodzi się wzdłuż ramion. Na końcach ramion znajdują się lustra, które odbijają światło z powrotem. W przypadku braku fal grawitacyjnych światło przebywa tę samą odległość w obydwu ramionach i dochodzi do jego całkowitego wytłumienia. W sytuacji jednak, gdy przez nasz glob przetacza się fala grawitacyjna, to z pewnym mikroskopowym opóźnieniem oddziaływać będzie na każde z ramion. To wprowadza przesunięcie w fali elektromagnetycznej (świetle), które zostanie wykryte przez interferometr.
Jednakże do zmierzenia tych fal grawitacyjnych konieczne było kolejne 40 lat wytężonych wysiłków naukowców oraz inżynierów. Na drodze do realizacji tego wielkiego marzenia Musieli oni sprostać szeregowi wyzwań. Jednym z nich było opracowanie takich układów optycznych, które zapewnią stabilność wiązki światła laserowego. Dodatkowo, cały układ powinien być bardzo dobrze odizolowany od zakłóceń otoczenia (przejeżdżająca nieopodal ciężarówka czy ruchy sejsmiczne są w stanie uniemożliwić pomiary), a jednocześnie być wystarczająco czuły, aby wykryć przemieszczenia luster na skutek propagacji fal grawitacyjnych. W rezultacie konieczne było opracowanie nowych materiałów, stworzenie jednej z największych na świecie instalacji z próżnią, jak również opracowanie algorytmów służących do filtrowania zakłóceń, czy też do analizy danych z wykorzystaniem metody uczenia maszynowego.
Przełomowy moment
Jak to z reguły bywa, jeden eksperyment to za mało. Dla weryfikacji poprawności pomiarów należało stworzyć bliźniaczy eksperyment, który powinien również wykryć zaburzenia czasoprzestrzeni z pewnym opóźnieniem. Tak powstały obserwatoria LIGO na wschodnim wybrzeżu (Hanford w stanie Waszyngton) i zachodnim wybrzeżu (Livingston w stanie Luizjana) USA oddalone od siebie o 3 tysiące kilometrów.
Wreszcie 14 września 2015 udało się zmierzyć fale grawitacyjne przetaczające się przez Ziemię. Pierwsze zostały wykryte przez laboratorium w Livingston, a 7 milisekund później (fale grawitacyjne rozchodzą się z prędkością światła) zostały „usłyszane”. Usłyszane, gdyż fale mają częstotliwość z zakresu słyszalnego dla ludzi. Można to sprawdzić tutaj.
Einstein miał rację
Odkrycie to tym samym potwierdziło obliczenia wykonane przez Einsteina przeszło 100 lat temu. Choć wówczas on sam wątpił, czy fale grawitacyjne rzeczywiście istnieją, czy też są jedynie matematycznym artefaktem.
Fale grawitacyjne to kolejne narzędzie do badania przestrzeni kosmicznej, a zwłaszcza zjawisk, które dotyczą ogromnych obiektów. Być może, co sugeruje Barry Barish w CERN Courier, przyczynią się do lepszego poznania początków wszechświata, czyli Wielkiego Wybuchu.
O współpracy inżynierów i naukowców w innym ośrodku zajmującym się m. in. badaniem Wielkiego Wybuchu napiszę w kolejnym artykule.
W przygotowaniu artykułu wykorzystano materiały dostępne na stronach: nagrody Nobla, Wolfram Blog oraz CERN Curier.
