Na konferencji prasowej, która miała miejsce 11 lutego b.r. naukowcy współpracujący w projekcie LIGO potwierdzili wykrycie fal grawitacyjnych. Ich źródłem są dwie zlewające się ze sobą czarne dziury. Odkrycia dokonano w 100 lat po przewidzeniu ich przez Einsteina w OTW.
W roku 1916 Albert Einstein ogłosił Ogólną Teorię Względności, w której stwierdzał między innymi, że siły grawitacyjne są wynikiem zakrzywienia czasoprzestrzeni wywołanego przez zniekształcającą je masę. Z obliczeń Einsteina wynika, że niektóre zjawiska mogą wywoływać zmarszczki na czasoprzestrzeni, które przemieszczają się z prędkością światła. To właśnie fale grawitacyjne.
Przez 100 lat od ogłoszenia OTW naukowcy nie byli w stanie bezpośrednio potwierdzić istnienia fal grawitacyjnych. W roku 1974 Joseph Tylor i Russel Hulse, dzięki obserwacjom dwóch okrążających się pulsarów PSR 1913-16, wykryli pośredni dowód na ich istnienie, za co w 1993 roku otrzymali Nagrodę Nobla. W roku 1992 naukowcy z MIT i Caltech wpadli na pomysł wybudowania detektora fal grawitacyjnych, i tak w 2000 roku powstał LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory).
Dzisiejsze wyniki są efektem pracy dwóch projektów – amerykańskiego LIGO i europejskiego Virgo (nazwa pochodzi od gromady około 1500 galaktyk w gwiazdozbiorze Panny – łac. Virgo). Obydwa posiadają detektory fal grawitacyjnych (interferometry laserowe). Są to urządzenia, ustawione względem siebie pod kątem prostym, które na odcinku – LIGO 4 km, Virgo 3 km – odbijają promienie lasera około 100 razy, aby wykluczyć błędy pomiaru. Dwa rozdzielone promienie lasera spotykają się w jednym punkcie, znoszą wzajemnie, a detektor nic nie wykrywa.
Jeżeli do detektora trafi pędząca fala grawitacyjna, zmienia na moment o 1/1000 średnicy protonu jedno z ramion detektora. Efektem tego jest przesunięcie się względem siebie promieni lasera, które w tym momencie nie znoszą się. Do wykrycia tak subtelnych zmian potrzebne są idealne warunki. Przelot samolotu, przejazd samochodu czy nawet wiatr mogą powodować zakłócenia. Dlatego detektory wykonane są z niesamowitą precyzją a wszystkie elementy są dokładnie izolowane. Aby wykluczyć ewentualne błędy pomiaru, LIGO ma swoją kopię. Obydwa urządzenia są oddalone od siebie o 3000 km.
14 września 2015 roku obydwa detektory LIGO, znajdujące się w Livingston i Hanford, wykryły fale grawitacyjne. Obserwacje potwierdził detektor Viergo. Naukowcy na podstawie danych uzyskanych z LIGO szacują, że owe czarne dziury mają masy 29 i 36 mas Słońca a do zderzenia doszło 1,3 miliarda lat temu. Czarna dziura, która powstała w efekcie zderzenia ma masę 62 masy Słońca. Oznacza to, że brakujące 3 zostały przekształcone w fale grawitacyjne w ułamku sekundy, z energią pięćdziesięciokrotnie przekraczającą energię całego Wszechświata. Zgodnie z Ogólną Teorią Względności dwie rotujące wokół siebie czarne dziury tracą energię emitując ją w postaci fal grawitacyjnych, co na przestrzeni miliardów lat powoduje ich zbliżanie się do siebie. Z czasem okrążają się tak szybko i tak blisko, że w końcu dochodzi do zderzenia, a ich prędkość sięga prawie połowę prędkości światła. W ten sposób tworzy się bardziej masywna czarna dziura, która, zgodnie z równaniem Einsteina E=mc2, przekształca część połączonej masy czarnych dziur, w energię. To właśnie te fale grawitacyjne wykrył LIGO.
W skład Virgo wchodzi zespół 15 Polaków, pod kierownictwem profesora Andrzeja Krókaka z Polskiej Akademii Nauk. Zespół odpowiada za analizę danych oraz modelowanie układów mogących generować silne fale grawitacyjne. Zespół polskich astrofizyków przewidział, że połączenie się czarnych dziur może być znacznie częstsze, niż dotąd sądzono i że to właśnie one mogą stać się źródłem fal grawitacyjnych na tyle silnych, że uda się je wykryć. Na pewno na przestrzeni kolejnych lat obserwacje te będą jeszcze potwierdzane. Na dzień dzisiejszy odkrycie fal grawitacyjnych potwierdza również istnienie czarnych dziur.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
Caltech