Od tego czasu naukowcy zarejestrowali fale emitowane przez zderzenia supermasywnych czarnych dziur, zderzenia gwiazd neutronowych, a nawet zderzenia czarnych dziur z gwiazdami neutronowymi. Teraz jednak okazuje się, że rzeczywistość może być jeszcze ciekawsza, niż się wydawało.
W najnowszym artykule naukowym opublikowanym na serwerze preprintów naukowych arXiv Jing Liu, fizyk z Chińskiej Akademii Nauk wskazuje, że we wszechświecie możemy mieć do czynienia nie tylko z falami grawitacyjnymi, ale także z laserami grawitacyjnymi emitowanymi z bezpośredniego otoczenia czarnych dziur. Brzmi absurdalnie? Cóż, fale grawitacyjne sto lat temu także wydawały się czysto teoretyczne.
Zacznijmy jednak od początku. Aby doszło do emisji lasera grawitacyjnego, potrzebny jest jeszcze jeden składnik, którego istnienia wciąż nie jesteśmy pewni.
To wszystko prawda, jeżeli istnieją aksjony
O tym, że 85 proc. materii we wszechświecie stanowi ciemna materia, wiemy już od jakiegoś czasu. Mimo upływu czasu nadal nie wiemy, z czego ta ciemna materia się składa. Teorii powstało w tej kwestii już wiele. Jedną z nich są aksjony, które miałyby być ultralekkimi cząsteczkami wypełniającymi cały wszechświat jednocześnie niewchodzącymi w interakcje z promieniowaniem elektromagnetycznym. Według teorii cząstki te są tak lekkie, że mają swoiste własności kwantowe, wśród których jest zaskakująco duża długość fal. To istotne, bowiem cząstki te miałyby zachowywać się po części jak cząstki, a po części jak fale (skąd my to znamy!).
Ta cecha jest istotna, bowiem sprawia, że takie hipotetyczne aksjony mogą być przechwycone przez czarne dziury, ale ze względu na swoje gigantyczne długości fal, nie mieszczą się one wewnątrz horyzontu zdarzeń. Efekt? Aksjony będą unosić się wokół czarnej dziury, ale na nią nigdy nie opadną. Można powiedzieć, że w bardzo mikroskopijnej skali odpowiednikiem aksjonów mogą być elektrony krążące wokół jądra atomu.
I tutaj dochodzimy do laserów grawitacyjnych
Tutaj warto wspomnieć, że lasery, czyli emisja promieniowania wskutek emisji wymuszonej, też zostały przewidziane przez Alberta Einsteina. Co do zasady, emisja lasera to nic innego niż emisja fotonów przez materię wskutek oddziaływania z fotonem inicjującym. Cały klucz polega na tym, aby energia fotonu była równa energii wzbudzenia atomu. W takiej i tylko w takiej sytuacji foton inicjujący nie jest pochłaniany przez atom, a jedynie wyzwala proces emisji kolejnego fotonu o takiej samej energii i polaryzacji i poruszający się w tym samym kierunku. W ten sposób powstaje wiązka światła spójnego.
Można jednak spytać o to, co fale grawitacyjne mają wspólnego z fotonami i wiązkami laserowymi.
W swoim najnowszym artykule naukowcy wskazują, że czarne dziury nie muszą się z niczym zderzać, aby emitować fale grawitacyjne. Odpowiednia czarna dziura w odpowiednim otoczeniu i fale grawitacyjne emitowane są w każdym kierunku.
Tutaj właśnie do gry wchodzą aksjony. Jeżeli mamy do czynienia z czarną dziurą, która emituje fale grawitacyjne o odpowiedniej długości fali, to owe fale mogą wzbudzać krążące wokół czarnej dziury aksjony. Jeżeli do tego dojdzie, w pewnym momencie aksjony krążące wokół czarnej dziury zaczną poruszać się w sposób skoordynowany. Taki ruch doprowadzi z kolei do emisji kolejnych fal grawitacyjnych, co oczywiście zacznie prowokować wzbudzenie kolejnych aksjonów. Oba te wzajemnie napędzające się procesy doprowadzą ostatecznie do powstania skupionej wiązki fal grawitacyjnych. Ze względu na podobieństwo do lasera, w opisywanej pracy nazwano taką wiązkę laserem grawitacyjnym.
Teoria ta wydaje się niezwykle ciekawa. Gorzej jednak będzie z jej weryfikacją. Po pierwsze, jeżeli ciemna materia nie składa się jednak z aksjonów, to żadnych laserów grawitacyjnych nie zobaczymy. Po drugie, nawet jeżeli aksjony istnieją, a czarne dziury emitują lasery grawitacyjne, to wiązki te emitowane są w losowych kierunkach i szansa, że taka wiązka zostanie wyemitowana w kierunku Ziemi, jest ekstremalnie mała. Po trzecie, nawet jeżeli taka wiązka zostanie wyemitowana w kierunku Ziemi, obecne detektory fal grawitacyjnych nie będą w stanie ich zarejestrować. Trzeba poczekać na detektory kolejnej generacji, żebyśmy choć mieli szansę.