Zacznijmy od bardzo prostego pytania: czym jest grawitacja? Każdy z nas wie, że to ona sprawia, iż stoimy na ziemi, Ziemia obiega Słońce, a coś rzuconego w górę najczęściej spada. Z punktu widzenia fizyki grawitacja to kształt czasoprzestrzeni, czyli wszystkiego, co nas otacza.
CZYTAJ TEŻ: FALE GRAWITACYJNE ZMIERZONE PO RAZ PIERWSZY!
Jak olej na jeziorze
„Równania Einsteina mówią nam, jak materia zakrzywia geometrię czasoprzestrzeni. Materia dyktuje czasoprzestrzeni, jak ma się zakrzywiać, a krzywizna czasoprzestrzeni mówi cząsteczkom, jak mają się poruszać” – wyjaśnia prof. Abhay Ashtekar z Pennsylvania State University. Łatwiej będzie to zrozumieć, gdy skorzystamy z pewnej analogii. Zamiast mówić o czterowymiarowej czasoprzestrzeni (trzy wymiary przestrzenne plus czas) wyobraźmy sobie dwuwymiarową płaszczyznę, taką jak naciągnięta gumowa membrana. Jeśli położymy na niej ciężką kulę, powierzchnia się ugnie i mniejsze kulki znajdujące się w pobliżu zostaną „przyciągnięte” do większej. To samo dzieje się we wszechświecie – tyle że w czterech wymiarach, a membraną jest właśnie czasoprzestrzeń.
Żeby zrozumieć fale grawitacyjne, musimy nieco zmienić analogię. Zamiast gumowej membrany wyobraźmy sobie powierzchnię jeziora, na której unosi się kilka okrągłych plam oleju (mało ekologicznie, ale to tylko eksperyment myślowy). Wrzucamy do wody kamień i patrzymy na rozchodzące się fale. Gdy docierają do plam oleju, na chwilę zmienia się odległość między nimi oraz ich kształt – z okrągłego na jajowaty.
Fala na wodzie zniekształcała obiekty, które znajdowały się na dwuwymiarowej powierzchni. Podobnie może zniekształcać obiekty – od gwiazd po ludzi i atomy – fala grawitacyjna w przestrzeni czterowymiarowej.
Gdy przechodzi, lekko je rozciąga albo skraca, ale po chwili wszystko wraca do normy. Takie fale powstają wtedy, gdy gdzieś we wszechświecie szybko porusza się obiekt o dużej masie. Im większa masa i im szybszy jej ruch, tym przestrzeń bardziej się marszczy – tak samo jak większa fala na wodzie powstanie, gdy wrzucimy do niej większy kamień.
Nobel za falowanie
Historia fal grawitacyjnych ma ok. 100 lat. Próby ich złapania trwają od lat kilkudziesięciu. Nie jest to łatwe, ponieważ wydłużanie i skracanie się obiektów pod ich wpływem jest niezwykle subtelne. W książce „Zmarszczki na kosmicznym morzu” David Blair porównuje poszukiwanie fal grawitacyjnych do nasłuchiwania wibracji wywołanych przez pukanie do drzwi z odległości 10 tys. km. Detektory zdolne wykryć fale grawitacyjne powinny zarejestrować efekt porównywalny z upadkiem szpilki po drugiej stronie naszej planety.
Jako pierwszy podjął się tego zadania amerykański fizyk Joseph Weber. W latach 60. XX wieku używał w tym celu aluminiowych cylindrów obłożonych detektorami i twierdził, że falująca grawitacja wprawiła je w drgania. Środowisko naukowe nie dało temu wiary: pomiarów nikomu nie udało się powtórzyć, a obliczenia wskazywały na to, że fale grawitacyjne są zbyt delikatne, by dało się je tak wykryć.
Poszukiwania trwały bez powodzenia aż do 1974 roku, gdy dwóch radioastronomów z Princeton University – Joseph Taylor i Russel Hulse – obserwowało dwie krążące wokół siebie gwiazdy (to układ podwójny PSR1913+16). Uczeni stwierdzili, że orbita, po której się poruszają, staje się coraz ciaśniej sza – układ stopniowo tracił swą energię w taki sposób, jakby zamieniał ją na fale grawitacyjne. Było to pośrednie potwierdzenie ich istnienia, ale wystarczyło, by odkrywcy dostali w 1993 roku Nagrodę Nobla.
Kilka tygodni temu udało się jednak zmierzyć je po raz kolejny pośrednio. Dokonał tego zespół naukowców analizujący dane z pracującego na biegunie południowym teleskopu (a właściwie układu anten) o nazwie BICEP.
Tym razem badacze nie patrzyli jednak na gwiazdy tylko na tzw. mikrofalowe promieniowanie tła, czyli echo Wielkiego Wybuchu.
Uczeni dokładnie przeanalizowali promieniowanie reliktowe, stanowiące istniejący do dziś ślad Wielkiego Wybuchu. Znaleźli w nim specyficzną polaryzację (uporządkowanie promieniowania), która zgadza się z teoretycznymi modelami tzw. kosmicznej inflacji – fazy bardzo szybkiego rozszerzania się Wszechświata tuż po jego narodzinach.
- WIELKI WYBUCH – W „chwili zero” cała masa i energia Wszechświata była ściśnięta w niewyobrażalnie małym punkcie o ogromnej gęstości i temperaturze. Rozpoczyna się ekspansja.
- INFLACJA – W ułamku sekundy Wszechświat powiększa się do obiektu wielkości jajka. Robi to z prędkością większą niż szybkość światła.
- PROMIENIOWANIE RELIKTOWE – Powstało 380 tys. lat po Wielkim Wybuchu, gdy materia po raz pierwszy oddzieliła się od energii i Wszechświat stał się „przezroczysty”.
- PIERWSZE GWIAZDY – Zaczęły powstawać dopiero ok. 250 mln lat po Wielkim Wybuchu. Wcześniej kosmos był mroczny i wypełniony obłokami gazu.
- SŁOŃCE, ZIEMIA – Nasza Galaktyka powstała ok. 1 mld lat po Wielkim Wybuchu. 8 mld lat później uformowało się Słońce, a po kolejnych 500 mln lat – Ziemia.
- WSPÓŁCZESNOŚĆ – Od Wielkiego Wybuchu minęło blisko 14 mld lat. Nasza aparatura naukowa nadal wykrywa jego ślady.
Co widać na starym zdjęciu?
Promieniowanie tła wypełnia cały kosmos. Naukowcy badają je od wielu lat, ponieważ stanowi coś w rodzaju fotografii bardzo młodego Wszechświata. Promieniowanie tła nie jest jednorodne – widać w nim obszary „zimniejsze” i „cieplejsze”, odpowiadające nierównomiernemu zagęszczeniu materii tuż po Wielkim Wybuchu. Te nieregularności stanowiły zalążki galaktyk, które powstały dużo później. To dzięki owym pierwotnym zagęszczeniom istnieją dziś gwiazdy, planety i my.
Ze starymi zdjęciami jest tak, że czasem można poddać je szczegółowej analizie i zobaczyć coś, co wcześniej umknęło naszej uwadze. Tak właśnie zrobili badacze pracujący na BICEP. Zmierzyli nie tylko natężenie promieniowania tła, ale jego uporządkowanie (czyli polaryzację). Poszukiwali tzw. modów B, czyli bardzo specyficznej polaryzacji świadczącej o tym, że w młodziutkim Wszechświecie powstały silne fale grawitacyjne.
Skąd się tam wzięły? Jak już wspomnieliśmy wcześniej, fale takie powstają, gdy duża masa szybko się porusza. Tuż po Wielkim Wybuchu cała masa Wszechświata była skupiona w mikroskopijnej „kulce”. I ta kulka bardzo gwałtownie „spuchła” – zrobiła to z prędkością większą niż prędkość światła! To zjawisko fizycy nazywają inflacją i to ona była źródłem fal grawitacyjnych, które zostały pośrednio zarejestrowane przez teleskop na południowym biegunie. Dlaczego akurat tam? Bo panuje tam bardzo stabilna pogoda – jest bardzo zimno i sucho, a to (nie wdając się w szczegóły) ma zasadnicze znaczenie dla takich badań.
Choć naukowcy przez trzy lata sprawdzali, czy ich wnioski nie są obarczone jakimś błędem, uzyskane przez nich wyniki będą teraz dokładnie przeanalizowane przez inne grupy badaczy. Jeśli zostaną potwierdzone, możemy spodziewać się fizycznego Nobla albo dla twórców teorii inflacji, albo dla odkrywców fal. Obydwa dokonania, choć nie przekładają się konkretne zastosowania w codziennym życiu poszerzają naszą wiedzę o Wszechświecie.
Bardziej szczegółowe analizy wykazały, że dane z eksperymentu BICEP jednak nie potwierdzają istnienia fal grawitacyjnych. Udało się to natomiast badaczom pracującym w ramach eksperymentu LIGO.
Laserowa pułapka
Czy uda się kiedyś wykryć „zmarszcz ki rzeczywistości” bezpośrednio? Takie zadanie stoi przed największym z dotychczas zbudowanych obserwatoriów fal grawitacyjnych, zwanym LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory). Instalacja, która z lotu ptaka wygląda jak wielka litera L, składa się z dwóch rur długości 4 km każda, stykających się ze sobą końcami pod kątem prostym. We wnętrzu każdej rury znajduje się kolejna rura ze stali nierdzewnej, która jest granicą pomiędzy światem zewnętrznym a bardzo wysoką próżnią. Z laboratorium na styku rur w tym samym momencie wysyłane są wiązki laserowe. Na końcach rur są zwierciadła, które odbijają światło. Wiązki laserowe są odbijane w rurach tam i z powrotem ok. 100 razy, a potem wpadają do centralnego laboratorium i są ze sobą starannie porównywane.
Uczeni mogą obliczyć z wielką dokładnością, czy obydwie wiązki przebyły te same drogi. A drogi te powinny być identyczne… Chyba że w czasie pomiaru przez Ziemię przejdzie fala grawitacyjna. Wtedy jedno z ramion LIGO będzie nieco dłuższe. O ile? Różnica to nie więcej niż jedna tysięczna średnicy protonu! To mniej więcej tak, jak byśmy mierzyli zmiany średnicy Drogi Mlecznej (ok. 120 tys. lat świetlnych) z dokładnością do jednego metra.
Aby nic z otoczenia – drgania gruntu, huk spowodowany przez lecący odrzutowiec itp. – nie zakłóciło pomiaru, uczeni zbudowali nie jedną, ale dwie bliźniacze instalacje LIGO oddalone od siebie o ponad 3 tys. km. Jedna jest w Handford w stanie Waszyngton, a druga w Livingston w stanie Luizjana. Tylko fala grawitacyjna powstała wskutek bardzo gwałtownego zdarzenia (takiego jak połączenie się dwóch czarnych dziur) będzie w stanie w tym samym momencie spowodować powstanie sygnału w dwóch instalacjach. Taka fala nadeszła 15 września 2015 r.
DLA GŁODNYCH WIEDZY:
- Strony projektów wykrywania zmarszczek czasoprzestrzeni – http://bicep.caltech.edu, www.ligo.caltech.edu
- Krótki film dr. Rożka tłumaczący fenomen fal grawitacyjnych – http://bit.ly/fal3
- Trzy nasze wywiady z fizykami o mechanice kwantowej, grawitacji, czasie i Wielkim Wybuchu – http://bit.ly/3wywiady