Nowoczesne instalacje do wykrywania fal grawitacyjnych umożliwią znacznie głębsze niż kiedykolwiek odkrycie Kosmosu. Mogą pozwolić na zbadanie pierwszych chwil powstania Wszechświata

Powstała globalna sieć detektorów do wykrywania fal grawitacyjnych. Instalacja LIGO-Virgo, złożona z trzech, a nie jak dotąd dwóch, laserowych przyrządów pomiarowych o długości kilku kilometrów, pozwala przechwytywać ślady zdarzeń, które dzieją się miliardy lat świetlnych od Ziemi. Naukowcy odbierają sygnały o kosmicznych kataklizmach, takich jak zderzenia się czarnych dziur. Pomiary fal grawitacyjnych pozwolą na  głębsze zbadanie najgęstszej znanej nauce materii, z jakiej zbudowane są gwiazdy neutronowe. W przyszłości mogą pozwolić też na zbadanie pierwszych chwil tuż po Wielkim Wybuchu. Kolejna kampania obserwacyjna odbędzie się jesienią 2018 roku.

– Sieć interferometrów fal grawitacyjnych to sieć detektorów umieszczonych w różnych miejscach na Ziemi, które mogą mierzyć zakrzywienie czasoprzestrzeni, cykliczne wydłużenie i skrócenie się odległości i przepływu czasu . Mierzymy fale grawitacyjne, czyli takie małe zaburzenia, które się po tej czasoprzestrzeni rozprzestrzeniają, podobnie jak fale na wodzie albo fale elektromagnetyczne tyle, że są to zaburzenia samej czasoprzestrzeni – tłumaczy w rozmowie z agencją informacyjną Newseria Innowacje Michał Bejger z Centrum Astronomicznego im. Mikołaja Kopernika Polskiej Akademii Nauk.

Projekt LIGO stanowią dwa detektory zlokalizowane po dwóch stronach Stanów Zjednoczonych. W sierpniu 2017 roku sieć uzupełnił detektor Virgo Advanced, umieszczony we Włoszech. Efekty połączenia sił przyszły bardzo szybko. Pod koniec września konsorcja Virgo Collaboration i LIGO Scientific Collaboration ogłosiły pierwszą wspólną detekcję fal grawitacyjnych. Sieć złożona z trzech, a nie jak dotąd dwóch, detektorów fal grawitacyjnych, pozwala na około 10-krotnie wyższą dokładność lokalizowania źródła fal grawitacyjnych na niebie i pozwoliła na pierwszy w historii pomiar polaryzacji tych fal.

– Kiedy fala grawitacyjna, która jest wynikiem jakiegoś kosmicznego kataklizmu, przechodzi przez Ziemię, to detektory po kolei ją wykrywają i możemy wtedy obserwować rzeczy, które są nieobserwowalne w żaden inny sposób, np. czarne dziury, czyli obiekty, które z definicji nie świecą, ale krążą wokół siebie jako układ podwójny. Do tej pory wykryliśmy cztery takie zdarzenia, w przyszłości będzie ich o wiele więcej – zapowiada Michał Bejger.

Zarejestrowane 14 sierpnia 2017 r. fale grawitacyjne, czyli tzw. zmarszczki w przestrzeni i czasie, zostały wyemitowane tuż przed połączeniem się dwóch czarnych dziur o masach około 31 i 25 mas Słońca. Obiekty te były położone w odległości ok. 1,8 mld lat świetlnych od Ziemi. W trakcie zderzenia powstała nowa, rotująca czarna dziura, której masa wynosi około 53 mas Słońca. To oznacza, że w procesie zacieśniania się orbity układu podwójnego i łączenia się czarnych dziur ok. 3 masy Słońca przetworzyły się w energię w postaci wypromieniowanych fal grawitacyjnych. Masa Słońca jest 330 tys. razy większa od masy Ziemi.

17 sierpnia 2017 r. pierwszy raz w historii zarejestrowano bezpośrednio fale grawitacyjne i światło pochodzące z tego samego kosmicznego kataklizmu. Naukowcom udało się odnotować jednocześnie fale grawitacyjne oraz fotony o różnych energiach pochodzące ze zderzenia się gwiazd neutronowych. Detekcja fal grawitacyjnych ze zderzenia się gwiazd neutronowych ma pozwolić na bezpośredni pomiar tempa ekspansji Wszechświata.

– Fale grawitacyjne pozwalają nam na obserwacje zjawisk wcześniej niewidzialnych np. układów podwójnych czarnych dziur, czyli na studiowanie teorii grawitacji w najbardziej ekstremalnych warunkach. Fale grawitacyjne umożliwiają pomiary odległości we Wszechświecie niezależnie od innych tradycyjnych astronomicznych metod. Dzięki pomiarom fal grawitacyjnych dowiemy się więcej o najgęstszej znanej nauce materii, z jakiej zbudowane są gwiazdy neutronowe, oraz zbadamy najwcześniejsze chwile tuż po Wielkim Wybuchu – przekonuje Michał Bejger.

Gwiazdy neutronowe to najmniejsze i najgęstsze znane nauce gwiazdy. Mogą mieć rozmiar miasta, a przy tym masę równą lub większą niż masa Słońca. Powstają, gdy masywne gwiazdy zapadają się i eksplodują jako supernowe. W układzie dwóch gwiazd neutronowych gwiazdy zbliżają się do siebie, emitując przy tym fale grawitacyjne, Detektory interferometryczne przechwytywały te fale przez około 100 sekund. Około dwie sekundy po zderzeniu do Ziemi dotarły wysokoenergetyczne fotony gamma. W ciągu kilku dni i tygodni po zderzeniu wykryto również promieniowanie elektromagnetyczne.

Położenie detektora Advanced Virgo w znacznej odległości od detektorów LIGO pozwala testować inne aspekty ogólnej teorii względności niż do tej pory. Dzięki temu możliwe jest badanie polaryzacji fal grawitacyjnych, która opisuje, w jaki sposób czasoprzestrzeń jest zakrzywiana przez falę grawitacyjną w każdym z trzech wzajemnie prostopadłych kierunków. Obserwacje pozwalają potwierdzać lub wykluczać założenia ogólnej teorii względności Einsteina.

– Z grawitacją jest taki problem, że jest ona dla nas naturalna, rozumiemy ją codziennie, gdy jabłko spada z drzewa. Jest natomiast bardzo tajemnicza w sensie jej istoty. Według Einsteina czasoprzestrzeń, czyli to, w czym wszystko się znajduje, jest zakrzywione. Geometria czasoprzestrzeni nie jest płaską geometrią, którą znamy ze szkoły. Czasoprzestrzeń może się wyginać i zakrzywiać, co oznacza, że odległości w niej się zmieniają i zmienia się w niej także przepływ czasu. Dzięki falom grawitacyjnym ten fakt można testować – tłumaczy ekspert.

Sieć wykrywaczy fal grawitacyjnych będzie rozbudowywana. Plany budowy takich urządzeń mają już Indie i Japonia. Chiny zaledwie dwa dni po zarejestrowaniu fal grawitacyjnych oświadczyły, że mają zamiar rozpocząć własny projekt ich badania, a miesiąc później zaprezentowały pomysł budowy kosmicznego wykrywacza fal grawitacyjnych.

Kolejna kampania obserwacyjna detektorów LIGO-Virgo zaplanowana jest na jesień 2018 r. Naukowcy spodziewają się wykrywać co najmniej jedną falę grawitacyjną tygodniowo.