W 1915 r. Einstein przewidział istnienie fal grawitacyjnych, czyli drgań czasoprzestrzeni. Sto lat później naukowcom udało się te fale zaobserwować. Oto otwiera się nowy rozdział w historii astrofizyki – będziemy zaglądać w nowe rejony przestrzeni pozaziemskiej.
Był 14 września 2015 r., godzina 11.50 czasu środkowoeuropejskiego. Na skrzynkę pocztową Marca Drago, pracującego w Instytucie Maxa Plancka w Hanowerze, przyszedł e-mail. Nic niezwykłego, bo automatycznych wiadomości każdy z nas dostaje mnóstwo, a naukowcy szczególnie. Ale tym razem był to jeden z najważniejszych e-maili w historii fizyki.
GW150914
Wiadomość zawierała wykresy dwóch sygnałów – jeden wykryto w obserwatorium w Livingston nad Zatoką Meksykańską, drugi w Hanford na zachodnim wybrzeżu USA, 3000 km dalej. Sygnały były prawie identyczne; co więcej, zarejestrowano je niemal w tym samym czasie. Niemal, bo dzieliło je 0,0067 s. Wyglądało to tak, jakby coś przeszło przez Ziemię z ogromną prędkością. Nie był to błąd pomiaru czy jakieś miejscowe zakłócenie w jednym lub drugim laboratorium (właśnie po to stworzono dwie jednostki badawcze, żeby taką możliwość wykluczyć). Nie był to też testowy sygnał wpuszczony do systemu przez inżynierów w celu sprawdzenia procedur ani wiadomość od obcych cywilizacji, jak w książkach Sagana czy Lema. W takim razie co?
Wykresy przedstawiały falę grawitacyjną. Tym samym program LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) zaliczył swój pierwszy ogromny sukces. Niektórzy mówili nawet, że jest to największe – jak dotąd – odkrycie naukowe XXI w. Kolejny raz potwierdzono ogólną teorię względności Einsteina, a perspektywicznie – zainaugurowano zupełnie nowy sposób badania wszechświata.
Pierwsza zaobserwowana przez ludzkość fala grawitacyjna otrzymała godną tej okazji romantyczną nazwę GW150914. Powstała ona w chwili połączenia się dwóch czarnych dziur o masach 36 i 29 mas Słońca w odległości 1,3 mld lat świetlnych od Ziemi. Po trwającej 1,3 mld lat podróży fala przeszła przez Ziemię, mijając najpierw Luizjanę, a 6,7 ms później stan Waszyngton. Co ciekawe, na podstawie tych dwóch niejako bezkierunkowych obserwacji nie da się ustalić, skąd dokładnie do nas przybyła. Najprawdopodobniej od strony Obłoków Magellana na południowej półkuli nieba. Jej źródło leżało jednak dużo dalej (czytaj: 10 tys. razy dalej) niż te Obłoki. Do fundamentalnego pytania, jak właściwie te fale wykryto, jeszcze wrócimy. Najpierw musimy zmierzyć się z pytaniem bardziej zasadniczym: czym właściwie są fale grawitacyjne?
Często trudno w jasny sposób przedstawić najnowsze idee i osiągnięcia współczesnej nauki, szczególnie gdy chodzi o fizykę. Z falami grawitacyjnymi tak jest… i zarazem nie jest. Ich istotę można bowiem zawrzeć w dwóch słowach. Otóż fale grawitacyjne to drgania czasoprzestrzeni. Po prostu. Jednak wyjaśnienie tych dwóch słów jest studnią bez dna. Zajrzyjmy do niej wspólnie!
Co faluje?
Zacznijmy od początku: czym w ogóle jest fala? To przemieszczające się w przestrzeni zaburzenie. Zaburzenie czego? Oczywistym przykładem jest powierzchnia wody. Wrzucamy kamień, on porusza cząsteczki wody w swoim otoczeniu, one poruszają następne, te jeszcze kolejne i tak dalej. W ten sposób fala się rozchodzi. Mówiąc filozoficznie: fala jest innym bytem niż jej źródło. Nie chodzi tu o ruch żadnych konkretnych cząsteczek, lecz o przekazywanie sobie zaburzenia przez kolejne cząsteczki – cząsteczki A wprawiają w ruch B, B poruszają C itd. Przekazywany dalej ruch można opisać za pomocą odpowiedniego wzoru.
Falę na wodzie widział każdy, a substancja, która drga, to najprawdziwsza, dotykalna H2O. Z falą elektromagnetyczną jest nieco trudniej, ale idea pozostaje ta sama. Fala elektromagnetyczna (czyli światło, podczerwień, fale radiowe itp.) to rozchodzące się w przestrzeni zaburzenie pola elektromagnetycznego. Drgnięcie w jednym miejscu powoduje – zgodnie z równaniami Maxwella – drgnięcie w kolejnym i tak dalej.
I teraz uwaga. W przypadku fal grawitacyjnych drgającym medium jest… sama czasoprzestrzeń. O co chodzi? Opuśćmy na chwilę przedrostek „czaso-” i pomyślmy o fali grawitacyjnej jako o drganiach przestrzeni. Kluczowy jest tutaj fakt, że drga sama przestrzeń, a nie żadna materia w niej zawarta. Nie powietrze (jak w przypadku fali dźwiękowej), nie woda (jak w przypadku fali morskiej), lecz sama przestrzeń. Ta idea kłóci się oczywiście ze zdrowym rozsądkiem, bo jak może drgać przestrzeń, czyli byt abstrakcyjny? Protestuje nie tylko chłopski rozum, ale także długi cień Kartezjusza, w którym wszyscy żyjemy. Wpojono nam, że przestrzeń jest czysto matematycznym pojęciem bez właściwości, gołym narzędziem opisu, niezależnym od obserwatora. Trzy wymiary, współrzędne x, y, z, te sprawy. To się oczywiście sprawdza w codziennym życiu i grafice komputerowej, jednak od ponad stulecia nie sprawdza się już w fizyce.
Przestrzeń ma bowiem właściwości. Podobnie jak rozszerzanie się wszechświata najlepiej traktować jako rozrastanie się, powiększanie się samej przestrzeni („zwiększanie się puli” dostępnej przestrzeni), tak o fali grawitacyjnej można myśleć jako o drgnięciu samej przestrzeni rozchodzącym się z prędkością światła. Trzeba tylko pamiętać, że zgodnie z teorią względności nigdy nie chodzi o samą przestrzeń, zawsze o czasoprzestrzeń. Idea jest właśnie taka, jesteśmy w domu. A przynajmniej w jego przedsionku.
Rozedrgana przestrzeń
Jeżeli się już zgodzimy, że (czaso)przestrzeń może drgać, to trzeba teraz wyjaśnić, na czym te drgania polegają. W przypadku fal na wodzie materia porusza się w górę i w dół, podobnie jest z falą na sznurze czy strunie. W którą stronę miałaby jednak drgać sama przestrzeń, skoro „strony” to kierunki wewnątrz niej samej?
Odpowiedź jest następująca: przestrzeń nie drga w żadnym „kierunku”. Ona się cyklicznie rozszerza i kurczy. Na tym polega to drganie. Wyobraźmy sobie idealnie okrągłą kulę w laboratorium. W chwili, w której przechodzi przez nią fala grawitacyjna, biegnąca z odległej galaktyki, kula na ułamek sekundy odkształca się, a gdy fala mija, wraca do oryginalnego kształtu. Nic jej oczywiście nie ściska w sensie mechanicznym, kształt zmienia sama przestrzeń, a razem z nią wszystkie obiekty w niej zawarte (czytaj: wszystkie obiekty materialne). Te odkształcenia zachodzą oczywiście w niesłychanie małej skali, co sprawia, że fale grawitacyjne bardzo, bardzo, bardzo trudno wykryć. Do tego jeszcze wrócimy, a póki co zadajmy jeszcze jedno pytanie, które pewnie niejednemu z Was kołacze się już w głowie. Dlaczego właściwie to się nazywa fala grawitacyjna? Skąd ta nazwa, skoro nie powiedzieliśmy jeszcze ani słowa o grawitacji?
Żeby odpowiedzieć, trzeba sięgnąć do ogólnej teorii względności. Otóż nie jest prawdą, że nie wspomnieliśmy tutaj nic o grawitacji. Cały czas mówimy o własnościach czasoprzestrzeni, a jak wiemy od Einsteina, grawitacja to nic innego jak jej zakrzywienie. To właśnie teoria względności przewidziała istnienie fal grawitacyjnych. Co więcej, fale grawitacyjne mają tak małą amplitudę, że jesteśmy w stanie wykryć tylko te, które powstały – mówiąc nieco poetycko – w wydarzeniach grawitacyjnych największej rangi. Potrzebne są ogromne masy i olbrzymie przyśpieszenia, mówimy tutaj o łączących się czarnych dziurach albo ciasnych układach gwiazd neutronowych – to ta skala. W tym też kontekście można powiedzieć, że fale grawitacyjne to niejako fragmenty pola grawitacyjnego oderwane od swojego źródła i podróżujące w przestrzeni. Stąd nazwa.
Radio Pulsar
Fale grawitacyjne to wspaniała opowieść o tym, że rzeczywistość po dziesięcioleciach potwierdza przewidywania teoretyków. Jako się rzekło, istnienie fal grawitacyjnych postulował Einstein, a miało to miejsce w roku 1915. Ale jeszcze 10 lat wcześniej pisał o nich w artykule O dynamice elektronu Henri Poincaré. Warto o nim wspomnieć nie tylko dlatego, że był pierwszy. Równania Einsteina są zbyt trudne, by tu o nich mówić, ale rozumowanie Poincarégo powinno być zrozumiałe dla tych z nas, którzy jako tako uważali na fizyce w liceum. W największym skrócie: poddany przyśpieszeniu ładunek elektryczny generuje falę elektromagnetyczną. Analogicznie, masa poddana przyśpieszeniu generuje falę grawitacyjną – l’onde gravifique, jak oryginalnie napisał Poincaré.
Diabeł mieszka oczywiście w liczbach. Piłka tenisowa uderzona przez Igę Świątek (masa poddana przyśpieszeniu) czy rakieta Elona Muska niosąca starlinki na orbitę (również masa przyśpieszająca) wytworzą fale grawitacyjne jedynie w teorii, bo w praktyce będą one nie do wykrycia. Masy i przyśpieszenia muszą być dosłownie kosmiczne – potrzeba tu gwiazd neutronowych, czarnych dziur itd. Ale nawet wtedy fale grawitacyjne mają amplitudę tak maleńką, że ich wykrycie bardzo długo uchodziło za niemożliwe. Einstein wątpił w ich realność tak bardzo, że w pewnym momencie zaczął kwestionować własną teorię.
Jak to często w nauce bywa, pierwsze obserwacje dowodzące, że fale grawitacyjne istnieją, były obserwacjami nie wprost. Jak je przeprowadzono? Otóż fale grawitacyjne niosą ze sobą energię. Obiekt, który w sposób ciągły te fale emituje, powinien więc energię tracić. Jeżeli jesteśmy w stanie za pomocą teorii względności wyliczyć, jaka dokładnie ta strata będzie, jeżeli potrafimy tę stratę zaobserwować, zmierzyć i sprawdzić, czy pomiar zgadza się z teorią, to mamy tym samym gotowy sposób, żeby pośrednio udowodnić istnienie fal grawitacyjnych.
Dobrym przykładem może być ciasny układ dwóch gwiazd neutronowych PSR B1913+16, pierwszy taki układ znany astronomom (odkryty w 1974 r.). Obserwujemy na Ziemi regularną emisję radiową z jednej z tych gwiazd (czyli jest ona pulsarem) i na tej podstawie możemy bardzo dokładnie opisać zachowanie tego układu. Masy i natężenia pola grawitacyjnego są tam tak potężne, że układ ten powinien teoretycznie wypromieniowywać bardzo dużo energii w falach grawitacyjnych (konkretnie: 7 bilionów terawatów, to jest 1021 razy więcej niż traci w ten sposób Układ Słoneczny). To na tyle dużo, że w zauważalny sposób powinna się zmieniać orbita tych gwiazd wokół siebie – skoro układ traci energię, orbita powinna się zacieśniać, a czas obiegu skracać. To można bardzo dokładnie wyliczyć: według przewidywań teorii względności w każdym roku ten okres obiegu powinien skracać się o 77 mikrosekund. Niby mało, ale bez problemu do wykrycia, skoro mamy te fale radiowe z pulsara. I faktycznie – zmianę tę wykryto, a przewidywania teorii i obserwacje zgodziły się tutaj do trzech miejsc po przecinku. Był rok 1979 i po raz pierwszy uzyskaliśmy dowód na istnienie fal grawitacyjnych. Ale na ich bezpośrednią obserwację musieliśmy poczekać do XXI w.
Zmierzyć się z pomiarem
Te obserwacje należą do niezwykle trudnych, bo fale grawitacyjne są bardzo niewielkie. O jakich liczbach tu mówimy? Fale, które przeszły przez Ziemię we wrześniu 2015 r., miały w szczytowym momencie amplitudę równą 10-21. Co to znaczy? Jak już powiedzieliśmy, fala grawitacyjna to drganie (czaso)przestrzeni, jej cykliczne kurczenie się i rozszerzanie. Na ułamek sekundy każdy metr – kilometr, mila, sążeń, staja – skraca się o 10-21 swojej długości. Przechodząc na bardziej ludzkie jednostki: odległość Warszawa–Glasgow skróciłaby się o… średnicę protonu. Jak w ogóle próbować coś takiego zmierzyć?
W fizyce często jest tak, że zmianę danej wielkości możemy zmierzyć znacznie dokładniej niż samą wielkość, ba, bywa i tak, że tylko ta zmiana ma prawdziwy sens. Przykładem jest choćby prędkość. Ta, którą mierzą fotoradary, może się wydawać absolutna i niepodważalna, ale już prędkość choćby sond kosmicznych jest dużo bardziej względna – bo względem czego ją właściwie mierzymy? Względem Ziemi? Słońca? Marsa? W kosmosie wszystko jest w ruchu, dlatego w astronautyce interesuje nas nie tyle sama prędkość, ile jej zmiana, tzw. delta v. Istnieje nawet pojęcie „budżet delta v”, według którego planowane są loty kosmiczne.
Podobnie jest z pomiarem długości. Linijki i taśmy miernicze przyzwyczajają nas do miłego poczucia, że wystarczy wyjąć je z szafki i od ręki można wszystko zmierzyć. I oczywiście ma to sens w przypadku metrów oraz milimetrów. Można powiedzieć: „Ten kij ma 2 m długości”, ale nie ma sensu mówić: „Ten kij ma 2,0171246239441712312 m długości”. Najdokładniejsze pomiary nie są pomiarami długości bezwzględnej, lecz pomiarami zmiany długości.
Zwróćcie też uwagę, że owszem, taśmy miernicze i linijki mierzą stoły, mosty czy patyki, ale jak zmierzyć zmianę przestrzeni, skoro wtedy sama linijka zmieni długość? Jeżeli wszystko zmieni długość, to nic nie zmieni długości – w sensie względnym. To jest jak najbardziej zasadna wątpliwość! W ten właśnie sposób dochodzimy do idei interferometru, czyli przyrządu, za pomocą którego szukamy fal grawitacyjnych.
Interferometry w projekcie LIGO składają się z dwóch prostopadłych rur długości 4 km każda. Dlaczego potrzebne są dwie? Właśnie z powodów opisanych wyżej. Fala grawitacyjna sprawia, że przestrzeń na moment kurczy się i rozszerza, ale nie we wszystkich wymiarach identycznie. I właśnie dlatego możemy ją wykryć! Jedno ramię zawsze zmieni swoją długość nieco inaczej niż drugie – i tę względną zmianę możemy zaobserwować. Nawet jeśli to zmiana rzędu 10-21.
W jaki sposób możemy tego dokonać? Jednym z cudów fizyki jest interferometria. Jak wiecie, światło jest (również) falą – górka, dołek, górka, dołek, szkolna sinusoida i tak w nieskończoność. Jeżeli weźmiemy dwie wiązki światła o dokładnie tej samej długości fali (czytaj: gdy skorzystamy z lasera), to będziemy w stanie wykryć, że nastąpiło między nimi nawet minimalne przesunięcie w fazie. Można to zrobić, wykorzystując zjawisko interferencji. Dwie identyczne fale przesunięte dokładnie o pół okresu wygaszą się wzajemnie (bo „górka” trafi na „dołek”). Jeżeli choć trochę się przesuną, to wygaszą się nieidealnie – i to właśnie będzie można zaobserwować. Co więcej, światło lasera nie biegnie w tych 4-kilometrowych ramionach tylko tam i z powrotem. Odpowiedni układ luster sprawia, że fale pokonują tę odległość kilkaset razy, co kilkusetkrotnie wydłuża „bazę”, którą badamy. Te pomiary, sięgające dokładnością do 10-21, to najdokładniejsze pomiary, jakich kiedykolwiek dokonywała ludzkość.
Dalsze szczegóły, optyka luster, wzmacnianie i filtrowanie sygnału, nie mówiąc już o jego matematycznej obróbce, to sprawy wykraczające poza ramy tego tekstu. Warto jednak powiedzieć słowo od strony inżynieryjnej, bo obserwatoria LIGO w Hanford i Livingston to dość niezwykłe miejsca. Każde z nich ma kształt wielkiego „L” z budynkiem laboratorium na przecięciu. Ich ramiona mają po 4 km długości, a ponieważ muszą być idealnie proste, biorą poprawkę na krzywiznę Ziemi, która na takim dystansie „opada” o 1,25 m (są więc zbudowane nie tylko „przed siebie”, ale także minimalnie „do góry” – aby skompensować krzywiznę Ziemi). W środku biegną wiązki lasera, którego moc jest taka, że – jak to zwięźle ujął jeden z pracowników LIGO – człowiekowi nie urwałoby głowy, bo od razu by ta głowa wyparowała. Światło lasera musi biec w doskonałej próżni, żeby nie rozpraszać się na cząsteczkach powietrza czy drobinkach kurzu. LIGO jest więc drugim największym urządzeniem próżniowym na świecie; z każdego obserwatorium wypompowano 10 000 m3 powietrza. Sama ta operacja trwała… 40 dni, a osiągnięte ciśnienie jednej bilionowej atmosfery odpowiada ciśnieniu w próżni orbity okołoziemskiej. Cud techniki pod każdym względem.
Przyszłość jest dziś
Te wymyślne obserwatoria-laboratoria są naszym nowym oknem na świat. Wyświechtana fraza, ale tutaj pasuje bardziej niż gdzie indziej. Jesteśmy dopiero na początku drogi, za nami zaledwie pionierskie obserwacje, lecz wygląda na to, że stoimy u progu całej nowej dziedziny, jaką jest (będzie? zaczyna już być?) astronomia fal grawitacyjnych, czyli dyscyplina zajmująca się badaniem wszechświata przez obserwowanie fal grawitacyjnych właśnie. Przed astronomią otwierają się tu zupełnie nowe możliwości. Fal grawitacyjnych nie da się bowiem „zablokować” w takim sensie, w jakim można przesłonić rozchodzenie się światła czy fal radiowych. Fale grawitacyjne penetrują te obszary, których nie da się badać przy użyciu fal elektromagnetycznych, jak choćby zderzenia czarnych dziur albo jeszcze innych obiektów i zdarzeń, dzisiaj trudnych nawet do wyobrażenia.
Astronomia fal grawitacyjnych może też nam pomóc w badaniu bardzo młodego wszechświata, tego, który był jeszcze nieprzezroczysty dla fal elektromagnetycznych. Możliwości przyprawiają o zawrót głowy, sama idea zaś – nie ukrywam – jest dość metafizyczna. Przyszłość jest dziś, a Lem i Sagan byliby nią zachwyceni. 411 lat mija od tej styczniowej nocy, kiedy Galileusz skierował swoją lunetę w kierunku Jowisza i jako pierwszy człowiek zobaczył jego księżyce. Nie tylko astronomia, ale także gatunek ludzki są dzisiaj w innym miejscu – naprawdę odkrywamy więcej rzeczy na niebie, niż to się śniło filozofom.
Czytaj również:
