Przełomowa obserwacja fal grawitacyjnych

14 września 2015 roku o 9:50:45 czasu UTC* (ang. Coordinated Universal Time) dwa bardzo czułe detektory projektu LIGO (ang. Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) bezpośrednio zaobserwowały fale grawitacyjne wygenerowane przez proces łączenia się dwóch masywnych czarnych dziur. Stało się to prawie sto lat po tym, jak Albert Einstein teoretycznie przewidział ich istnienie.

Fale grawitacyjne można opisać jako oscylujące zniekształcenia geometrii czasoprzestrzeni. Są one generowane przez poruszające się masy i propagują z prędkością światła. Poruszając się ściskają i rozciągają tkankę czasporzestrzeni w kierunku prostopadłym do kierunku ruchu fali (tzw. fale poprzeczne). Można to sobie wyobrazić posługując się falami dźwiękowymi. Otóż propagująca fala dźwiękowa kompresuje i rozrzedza ośrodek (np. powietrze), w którym się porusza, lecz wzdłuż kierunku ruchu (fala wzdłużna). Natomiast fale grawitacyjne, tak jak elektromagnetyczne, oscylują poprzecznie do czoła fali, zniekształcając ośrodek, w którym się poruszają (czasoprzestrzeń). Jeżeli (w sporym uproszczeniu) wyobrazimy sobie człowieka, przez którego prostopadle "przechodzi" fala dźwiękowa, to jest on na zmianę odrobinę "chudszy" i "grubszy", natomiast w przypadku fali grawitacyjnej będzie on na zmianę nieco "wyższy" i "niższy".

Mimo wielu prób, aż do zeszłego roku nie udało się bezpośrednio zaobserwować fal grawitacyjnych, ponieważ powodują one bardzo małe odkształcenia. Tak małe wartości amplitud przewidział już sam Albert Einstein. Co ciekawe, do roku 1957 i konferencji w Chapel Hill toczyła się debata, czy fale grawitacyjne rzeczywiście są tworami fizycznymi i mogą być nośnikiem energii. Pierwsza pośrednia obserwacja fal grawitacyjnych została dokonana dzięki odkryciu układu podwójnego PSR B1913+16, złożonego z wirujących wokół wspólnego środka masy pulsara i gwiazdy neutronowej. W 1982 roku dowiedziono, że wyciekająca z układu energia oraz fakt, iż orbity obu ciał się zacieśniają, związane są z generacją fal grawitacyjnych. Tak więc od 34 lat wiemy, że fale grawitacyjne na pewno istnieją, ale ich bezpośrednio nie zaobserwowaliśmy.

Do bezpośredniej rejestracji fal grawitacyjnych niezbędny był bardzo czuły układ detekcyjny, jakim jest ulepszony ostatnimi czasy układ LIGO. Składa się on z dwóch detektorów, z których jeden jest umieszczony w Hanford w Waszyngotnie, a drugi w Livingston w Luizjanie. W eksperymencie brał również udział umieszczony we Włoszech detektor Virgo, lecz w czasie, gdy można było dokonać detekcji tej konkretnej fali grawitacyjnej, był on w trakcie modernizacji. Podstawą konstrukcji detektorów LIGO jest zmodyfikowany interferometr Michaelsona** złożony z dwóch czterokilometrowych ramion ułożonych w literę L. Zasada działania jest następująca: wiązka laserowa rozdzielana jest na dwie części, każda z nich podróżuje wzdłuż swojego ramienia, tam odbija się od zwierciadła i wraca. Następnie obie wiązki spotykają się i są kierowane do detektora. Parametry eksperymentu LIGO dobrano tak, że gdy nie są odbierane fale grawitacyjne, wiązki spotykają się w przeciwfazie. W takim przypadku fale interferują destruktywnie, co oznacza, że się znoszą i detektor nie odbiera sygnału. Jeśli pojawi się fala grawitacyjna, wydłuży ona jedną z wiązek i skróci drugą, co spowoduje, że wiązki nie będą się już nakładały idealnie w przeciwfazie, więc nie będą się całkowicie znosić. Na detektorze pojawi się więc sygnał. Właśnie taki sygnał został równocześnie zarejestrowany na obu detektorach LIGO, co świadczy o tym, że przez ziemię przeszła fala grawitacyjna (a nie był to jakiś przypadkowy sygnał zaobserwowany na jednym z detektorów). Oczywiście tak ważny wynik wymagał starannej analizy i sprawdzenia, dlatego obserwację ogłoszono dopiero wczoraj (11.02.2016r.).

Warto zwrócić uwagę na złożoność eksperymentu, który wymagał m.in. minimalizacji wszelkich możliwych zakłóceń zewnętrznych. Przełomowe było również zwiększenie w 2015 r. czułości detektorów, które są obecnie w stanie wykryć różnice długości ramion mniejsze niż jądro atomu. W dotychczasowych pracach wzięło udział ponad sto jednostek naukowych.