Redakcja: Na czym polegał wkład noblistów z 2017 roku w detektor LIGO i obserwację fal grawitacyjnych?

Prof. Tomasz Bulik: LIGO to detektor fal grawitacyjnych, który kształtem przypomina literę L i zawiera w sobie interferometr. Posiada on dwa ramiona, mieszczące rury próżniowe, w których znajduje się promień lasera. Na końcach tych ramion umieszczono zaś lustra. Promień lasera krąży w ramionach około setki razy w obydwie strony, z czego część jego światła spotyka się w złączeniu wspomnianej litery L. Idea polega na tym, że kiedy fala grawitacyjna przechodzi przez takie urządzenie, to jedno z ramion, w skrócie mówiąc, wydłuża się, a drugie się skraca. Dzięki temu interferencja między dwoma promieniami lasera się zmienia i widać wtedy, że pojawia się sygnał. Jeśli ustawiamy ten przyrząd tak, żeby dwa promienie lasera wzajemnie się znosiły, to w przypadku fali grawitacyjnej one przestają to robić, po czym powstaje dodatkowy sygnał w postaci tego światła, które nie jest znoszone wzajemnie.

Detektor LIGO składa się z dwóch interferometrów leżących w odległości około 3000 km od siebie, w stanie Luizjana oraz w stanie Waszyngton. Wkładem tych trzech noblistów były przede wszystkim koncepcje i idee związane z budową detektora. Oni zaangażowali się we wczesny etap rozwoju urządzenia, zarówno pod względem idei, rozwiązywania problemów technicznych, jak i budowy. Ich pomysły i praca stały się podstawą do tego, żeby doprowadzić detektor do czułości, która pozwoliła na wykrycie fal grawitacyjnych w 2015 roku.

Czym są fale grawitacyjne?

Można powiedzieć, że jest to informacja o zmiennym polu grawitacyjnym, rozchodząca się z prędkością światła. Przykładowo jeśli ja, jako źródło pola grawitacyjnego, przesiądę się z jednego końca kanapy na drugi, to przyciąganie grawitacyjne pochodzące ode mnie zmieni kierunek. Jeżeli przeniosę się z lewego krańca na prawy, to wówczas stworzę zmienne pole grawitacyjne, które będzie zanikać wraz z odległością. Informacja o zmianie tego pola zacznie się natomiast rozchodzić w przestrzeni. Jeżeli ktoś z wyjątkowo czułym grawimetrem znajdzie się powiedzmy o kilometr stąd, zauważy zmienną naturę tego pola grawitacyjnego, wprost proporcjonalną do mojej masy, a także tempa zmian w odpowiedniej potędze mojego przesiadania się z jednego końca kanapy na drugi.

Przykładem źródeł poszukiwanych za pomocą fal grawitacyjnych są przede wszystkim masywne źródła poruszające się z prędkościami bliskimi prędkości światła. Takie układy to np. układy podwójne gwiazd neutronowych, spadające na siebie w wyniku emisji fal grawitacyjnych lub też układy podwójne dwóch czarnych dziur, które krążąc po orbicie wytracają energię w postaci fal grawitacyjnych i na koniec spadają na siebie tworząc nową, pojedynczą czarną dziurę.

Jak doszło do zaobserwowania tych fal?

Ten proces to, jak zwykle przy tak dużych eksperymentach, wynik pracy ogromnej rzeszy naukowców. Dane z detektorów są poddawane analizie pod względem poszukiwania przeróżnych sygnałów. Jednym z podstawowych jest ten ze spadających na siebie dwóch obiektów zwartych, czarnych dziur lub gwiazd neutronowych. Takie spadanie i schodzenie na coraz mniejszą orbitę po spirali daje bardzo charakterystyczny kształt sygnału fal grawitacyjnych. Można go poszukiwać wiedząc, jak będzie wyglądał i porównując to, co widzimy w detektorze z tym, czego oczekujemy, czyli przykładając wzorzec do sygnału i sprawdzając, czy ten wzorzec nam się gdzieś nie pojawi. Była to jedna z dwóch metod, które wykryły ten sygnał bardzo szybko.

Druga metoda polegała na poszukiwaniu sygnału w dwóch detektorach, które wybiegałyby znacznie wyżej niż szum i były ze sobą zgodne, czyli wyglądały na pochodzące z prawdziwego źródła astrofizycznego, a nie były spowodowane jakimiś lokalnymi zakłóceniami. Tych zakłóceń w detektorach jest bardzo dużo, ponieważ mierzą one wyjątkowo mały sygnał. Ten sposób poszukiwania sygnałów bez danego wzorca szybko zaalarmował, że mamy do czynienia z jakimś sygnałem astrofizycznym, który dość szybko zidentyfikowano i uznano, że wygląda on dokładnie tak, jak oczekujemy tego od układu podwójnego czarnych dziur, które na siebie spadają.

Czemu tę obserwację uznano za „przewrót w astrofizyce”?

To odkrycie ma bardzo dużo różnych znaczeń. Przede wszystkim jest to pierwsze wykryte bezpośrednio źródło fal grawitacyjnych, dzięki któremu zauważyliśmy, że rzeczywiście widzimy falę grawitacyjną i zmierzyliśmy jej amplitudę. Samo dokonanie spowodowało otwarcie nowej dziedziny astronomii, czyli astronomii fal grawitacyjnych. Do tej pory obserwowaliśmy wszechświat w falach elektromagnetycznych, a więc w świetle, promieniowaniach rentgena czy promieniowaniu radiowym, a także znaliśmy kilka obiektów będących źródłami neutrin. Teraz dysponujemy kolejnym sposobem oglądania wszechświata, czyli falami grawitacyjnymi. Z punktu widzenia astronomii przełomem było to, że po raz pierwszy odkryliśmy układy podwójne czarnych dziur i w sposób bezpośredni także same czarne dziury, ponieważ do tej pory zakładaliśmy ich istnienie na podstawie przesłanek niebezpośrednich.

Oglądaj całość