Turyści spacerujący po placu Cudów w Pizie nie zdają sobie w większości sprawy, że Krzywa Wieża nie tylko się przechyla, lecz także czasem rozszerza się i kurczy – choć nie sama, ale wraz z całą czasoprzestrzenią.
Owych skurczów, w przeciwieństwie do spektakularnej krzywizny wieży, nie widać gołym okiem, trudno więc wymagać od typowego turysty, aby rozmyślał o nich podczas odwiedzin w malowniczej Toskanii. Ja jednak typowym turystą nie jestem i zaraz po zwiedzeniu Pizy jadę do laboratorium Virgo, które znajduje się 20 km za miastem. Tam właśnie działa jeden z trzech największych na świecie interferometrów laserowych, czyli urządzeń do badania skurczów czasoprzestrzeni (fal grawitacyjnych) i odczytywania niesionych przez nie informacji na temat kosmicznych zdarzeń, takich jak zlanie się czarnych dziur czy gwiazd neutronowych.
Droga do EGO
Interferometr mieści się w pobliżu miejscowości Cascina pod Pizą, na rozległej równinie, praktycznie na odludziu. Wąska asfaltowa droga, która do niego prowadzi, lekko wije się wśród łąk, pól i pojedynczych zabudowań. Na horyzoncie góry. Uwagę zwraca niepokojący, wbity w ziemię ogon samolotu – pozostałość po wypadku lotniczym. Gdyby ktoś chciał zaprojektować rzeźbę ilustrującą potęgę grawitacji, tak właśnie mogłaby wyglądać.
Choć droga się nie rozwidla, wszędzie widać drogowskazy z napisem EGO (European Gravitational Observatory). Jednak nawet bez nich detektor można dostrzec z dużej odległości. Od pokaźnego białego budynku centralnego w kształcie kwadratowej kostki mydła odchodzą pod kątem prostym dwa niebieskie tunele wysokości mniej więcej 3 m i długości 3 km. Jeden biegnie na zachód, a drugi na północ. Kiedy trwają pomiary, w nich właśnie, szybują laserowe wiązki – tam i z powrotem, odbijając się od umieszczonych na obu końcach tuneli zwierciadeł.
Przed budynkiem wita mnie dr Nicolas Arnaud. Siwiejący zarost i włosy kontrastują z radosną, młodzieńczą twarzą. Po angielsku mówi płynnie, z silnym francuskim akcentem. Zaprasza mnie do biura, z którego okien widać zachodni tunel.
Dr Arnaud zajmuje się nadzorem publikacji naukowych przygotowywanych na podstawie danych zebranych przez Virgo. Pochodzi spod Paryża, ale kiedy pojawiła się propozycja pracy w EGO, bez wahania wraz z rodziną przeprowadził się do Włoch – konkretnie do Florencji, gdzie do francuskiej szkoły chodzi jego ośmioletni syn. Cóż, dla dobra nauki można mieszkać nawet w Toskanii.
Zapytany, czy nie ryzykował zbyt wiele, wybierając karierę badacza zjawisk, które w ogóle mogły nie istnieć, odpowiada, że ryzyko nie było aż tak duże. Wprawdzie nawet sam Einstein, który pierwszy postulował istnienie fal grawitacyjnych, w pewnym momencie w swoje przewidywania zwątpił, jednak naukowcy mniej więcej od lat 50. XX w. zaczęli nabierać pewności, że uda się je w końcu wykryć.
Głosy czarnych dziur
Fale grawitacyjne są zmarszczkami czasoprzestrzeni, których źródłem są ciała o olbrzymiej masie (np. czarne dziury) poruszające się z dużymi prędkościami. To ostatnie ze zjawisk przewidzianych przez równania teorii względności Einsteina, które udało się potwierdzić eksperymentalnie. Wprawdzie to nie w Virgo dokonano tej pierwszej detekcji w 2015 r., ale w amerykańskim LIGO i nie europejscy, tylko amerykańscy naukowcy dostali za ten wyczyn Nobla, lecz oba ośrodki ściśle ze sobą współpracują. Wspólnie dokonują kolejnych odkryć i wspólnie publikują prace. Taka współpraca jest potrzebna, bo umożliwia większą precyzję pomiarów, a fale grawitacyjne to nowy rozdział w badaniach kosmosu. Teleskopy, klasyczne instrumenty obserwacyjne to skierowane w kosmos oczy, a detektory fal grawitacyjnych to coś w rodzaju uszu.
Już początkowe obserwacje poczynione przez Virgo i LIGO przyniosły przełom. Instrumenty wykryły dwa rodzaje zjawisk: zlewanie się czarnych dziur i łączenie gwiazd neutronowych. W tym pierwszym przypadku dzięki falom grawitacyjnym otrzymaliśmy pierwsze w historii potwierdzenie realności czarnych dziur. Do tej pory o istnieniu tych obiektów wnioskowaliśmy tylko z zachowania innych ciał znajdujących się w ich grawitacyjnym uścisku. Czarnych dziur nie sposób zobaczyć, ale można je usłyszeć.
Pierwsze detektory fal grawitacyjnych próbowano konstruować w latach 60. Były to aluminiowe walce długości mniej więcej metra. Badacze liczyli, że fale grawitacyjne będą wprawiać je w drgania. Jakże naiwne wydają się dziś te przypuszczenia. Naukowcy doszli do wniosku, że instrumenty muszą być większe i bardziej czułe: w latach 70. Ray Weiss wyliczył, że urządzenie do wychwytywania fal musi mieć ramiona przynajmniej kilometrowej długości.
Fale i drwale
To, co interferometry laserowe, takie jak Virgo i LIGO, wykrywają, to rozciąganie i kurczenie się przestrzeni. Oczywiście nie sposób takie zjawiska zmierzyć bezpośrednio: jeśli przyłożymy do czegoś miarkę, ona również rozciągnie się i skurczy wraz z przestrzenią. Trzeba działać z większą zmyślnością. Po pierwsze należy zauważyć, że choć ogólna teoria względności dopuszcza skurcze czasoprzestrzeni, to jedna rzecz pozostaje stała – i jest to prędkość światła. To ona musi więc być miarką, którą będziemy przykładać.
Virgo i LIGO mają kształt litery L. Dwa tunele pod kątem prostym rozchodzą się z jednego punktu centralnego. W tym punkcie wiązka laserowa zostaje rozszczepiona, a światło biegnie do końca każdego z ramion i wraca odbite od luster. (Potem znów może odbić się od zwierciadeł umieszczonych w centrum, i tak wiele razy). Ponieważ światło podróżuje ze stałą prędkością, sytuacja, w której z jednego tunelu wraca wcześniej niż z drugiego, teoretycznie nie powinna mieć miejsca. Zdarza się jednak i świadczy o tym, że czasoprzestrzeń uległa krótkotrwałemu zakrzywieniu, a przez układ przeszły fale grawitacyjne.
Światło z rozszczepionej wiązki lasera wraca po odbiciu od luster z dwóch tuneli, a następnie jest na siebie nakładane. Ponieważ początkowo było to to samo światło, jeśli falę świetlną z jednego tunelu nałoży się na drugą, powinny się anulować. Czyli wracającego światła praktycznie nie będzie. Jeżeli jednak fala grawitacyjna nieznacznie wydłuży jedno z ramion urządzenia, fale nie nałożą się i do punktu startowego wróci światło.
Problem polega na tym, że fale grawitacyjne to nie jedyne zjawisko, które może wywołać taki efekt. Detektor musi być ultraczuły, w rezultacie czego może wyłapywać też naturalne drgania skorupy ziemskiej. Nawet te, których ludzie nie odczuwają, i tak są miliard razy silniejsze niż fale grawitacyjne. Amerykański interferometr LIGO przez długi czas nie funkcjonował prawidłowo, bo wychwytywał drgania pochodzące z wycinki lasu. Virgo z kolei miał kłopot z falami – zwykłymi, morskimi, uderzającymi o odległe o wiele kilometrów nabrzeża. Aby odciąć te niepożądane sygnały, lustra trzeba było zawiesić na konstrukcjach redukujących drgania, których element nośny przypomina wahadło.
Wahadło Arnauda
Dr Arnaud chwyta myszkę komputerową z biurka i trzyma ją pionowo za wtyczkę USB. Myszka zwisa na przewodzie. „Oto proste wahadło – tłumaczy. – Jeśli punkt, w którym ono wisi, jest niemal nieruchomy, ciężarek na dole może stać w miejscu albo poruszać się z przewidywalnym wychyleniem. Jeśli jednak hak sam porusza się intensywnie, dół wahadła niemal stoi w miejscu”.
I rzeczywiście, kiedy dr Arnaud zaczyna szybko machać dłonią, w której trzyma kabel, sama myszka porusza się w bardzo małym zakresie.
To właśnie zjawisko wykorzystano do amortyzacji luster w interferometrze. Redukcja drgań przebiega wieloetapowo, jedno wahadło jest połączone z kolejnym, a to z jeszcze następnym. System ma w sumie 7 m wysokości. Mechanizm nie tylko redukuje drgania, lecz także pozwala precyzyjnie ustawić lustra, tak by światło lasera zostało odbite w sposób umożliwiający dokonanie pomiarów.
Same lustra również są wyjątkowe. Mają około 40 cm średnicy i są lekko zakrzywione, aby skupiały odbijaną wiązkę światła. Jednak krzywizna jest niemal niezauważalna, bo jej promień to 1,5 km. Zwierciadła muszą mieć też współczynnik odbicia światła na poziomie przekraczającym 99%.
Aby osiągnąć takie parametry, lustra muszą się sporo napodróżować. Materiały, z których są zrobione, pochodzą z Niemiec, ale same zwierciadła są wykonywane we Włoszech. Do szlifowania lecą do Kalifornii, a kiedy wracają, to nie trafiają do Pizy, tylko do Lyonu, gdzie nakładane są na nie warstwy ochronne i refleksyjne. Co ciekawe, lustra używane w amerykańskim LIGO przechodzą te same etapy produkcji, więc z Lyonu wracają do USA.
No i jeszcze najbardziej skomplikowany oraz najdroższy element całego systemu – próżnia. Żeby uniknąć wszelkich interferencji, światło w tunelach musi podróżować w zupełnej pustce. Powietrze może zaburzać pomiary, a także uszkadzać niezwykle delikatne elementy konstrukcyjne. Boleśnie przekonali się o tym naukowcy z Virgo, kiedy nagle z niezrozumiałych przyczyn zaczęły zrywać się krzemowe żyłki, na których wisiały lustra. Długo nie było wiadomo, o co chodzi, aż w końcu okazało się, że w układzie próżniowym pojawiły się drobiny pyłu, który niszczył instalację. Na pytanie, jak pracownicy Virgo poradzili sobie z tym problemem, dr Arnaud żartuje: „We used a vacuum cleaner”.
Odejść w spokoju
Dr Arnaud zabiera mnie na wycieczkę. Na początek – dyspozytornia wypełniona olbrzymimi monitorami. Tu dokonywana jest wstępna analiza sygnałów z urządzenia, po czym dane wysyła się do ośrodków badawczych na całym świecie, gdzie prowadzone są dalsze ekspertyzy. Sygnał nie od razu jest jednoznacznym świadectwem obecności fal grawitacyjnych. Trzeba oddzielić go od szumu, czyli wszystkich zjawisk pobocznych wykrywanych przez aparaturę niejako przy okazji. To oddzielenie ziarna od plew wymaga sporej mocy obliczeniowej.
Z dyspozytorni przechodzimy do najważniejszej części budynku centralnego. To tu umieszczone jest urządzenie do rozszczepiania wiązki laserowej, tu znajdują się wloty do tuneli. Każdy z tych elementów, podobnie jak lustra, musi być izolowany od drgań, więc zamocowany jest na końcu układu wahadeł w szczelnie zamkniętych siedmiometrowych silosach, w których panuje niemal całkowita próżnia. Dr Arnaud wyjaśnia, że uzyskanie i utrzymanie próżni jest nie lada wyzwaniem. Kiedy jakiś element instalacji trzeba odciąć, by przeprowadzić prace naprawcze, przejście od próżni do ciśnienia atmosferycznego trwa dwa dni. Przywrócenie próżni po zakończeniu prac konserwacyjnych – tydzień. Virgo jest jednym z największych na świecie magazynów próżni – jeśli w ogóle można mówić o magazynowaniu niczego.
Na zakończenie wsiadam z dr. Arnaudem do jego volkswagena i jedziemy do budynku umieszczonego w połowie zachodniego tunelu. Po otwarciu drzwi wita nas przenikliwy pisk urządzenia płoszącego ptaki – nawet trzepot ptasich skrzydeł mógłby zaburzyć wyniki eksperymentu.
Zaglądamy do tunelu, gdzie znajduje się rura, a w niej – w próżni – wędruje światło lasera. Oświetlenie w tunelu jest aktywowane przez czujniki ruchu i gdy wchodzimy do środka, rozświetla się korytarz. Jego koniec ginie gdzieś w oddali.
Kiedy wracamy, w budynku biurowym już czeka na nas dyrektor obserwatorium, prof. Stavros Katsanevas. Mężczyzna po sześćdziesiątce, szczupły. Zarówno z wyglądu, jak i ze względu na czarny golf oraz okulary przypomina nieco Steve’a Jobsa. Z pochodzenia jest Grekiem, ale od 1996 r. mieszka i pracuje we Francji. Funkcję dyrektora pełni zaledwie od dwóch miesięcy, jednak od wielu lat jest zaangażowany w projekt.
Prof. Katsanevas opowiada o trudach zdobywania środków na realizację przedsięwzięcia. Jeden z ministrów odpowiedzialnych za dotacje dla nauki krzyczał nawet: nigdy nie wykryjecie żadnych fal! W latach 90. powstała inicjatywa siedmiu europejskich ośrodków naukowych, które miały na celu promowanie badań nad falami grawitacyjnymi. „Mówiliśmy o sobie »siedmiu wspaniałych«. Mieliśmy przekonanie, że tak jak bohaterowie filmu musimy bronić wrażliwego obszaru przed zorganizowaną przestępczością, zmową niechęci. Sceptycy mówili nam wówczas: »Pamiętajcie, że pod koniec filmu czterech kowbojów ginie«”. To oczywiście tylko anegdota, ale podjęcie badań nad falami grawitacyjnymi wymagało odwagi oraz determinacji i dla niejednego z zaangażowanych stało się celem w życiu. „Mogę teraz odejść w spokoju, skoro istnienie fal grawitacyjnych zostało potwierdzone” – to słowa wypowiedziane przez umierającego Patrica Fleurie, szefa francuskiej komisji, która wydała zgodę na budowę Virgo.
Fizycy do lochów
„Wszystko przychodzi o czasie, jeśli ktoś potrafi czekać” – mówi z naciskiem prof. Katsanevas. I wyjaśnia, że to cytat z Franciszka Rabelais’go. Później słowa te miał powtórzyć Wolfgang Pauli, kiedy w 1956 r. eksperymentalnie potwierdzono istnienie neutrino (Pauli przewidział istnienie tych cząstek w 1932 r.). Dzisiaj to samo zdanie, jak podkreśla prof. Katsanevas, odnosi się do badań nad falami grawitacyjnymi.
Fakt, że tylko Amerykanie dostali Nobla za odkrycie fal grawitacyjnych, był nieco rozczarowujący dla Europejczyków, ale jak twierdzi prof. Katsanevas, uczestnicy projektu Virgo przede wszystkim cieszyli się, że wysiłek praktycznie całego ich życia zawodowego został ukoronowany. Virgo i LIGO to projekty komplementarne. Co tydzień odbywają się wideokonferencje mające podsumować bieżące prace po obu stronach oceanu. Cały czas trwa wymiana danych. Z naukowego punktu widzenia liczy się tylko to, że oba zespoły dysponują trzema interferometrami (Amerykanie w ramach projektu LIGO mają dwa, oddalone od siebie o tysiące kilometrów), a to pozwala precyzyjniej lokalizować zjawiska kosmiczne na niebie. Podobnie jak układ trzech satelitów jest w stanie wyznaczyć położenie odbiornika GPS, tak trzy detektory pozwalają wskazać, w jakiej galaktyce dochodzi do ważnego zjawiska. To z kolei daje wiedzę, gdzie skierować tradycyjne teleskopy, by prowadzić dalsze obserwacje.
Virgo początkowo był projektem wyłącznie włosko-francuskim, teraz bierze w nim udział sześć krajów. Są naukowcy z Holandii, Węgier, Hiszpanii i Polski.
Prof. Andrzej Królak z Instytutu Matematycznego PAN, który kieruje polskim zespołem, tłumaczy, że zadaniem naszych naukowców jest przede wszystkim analiza danych, prowadzenie obliczeń, które mają na celu wyłuskanie sygnału z szumu. W polskiej grupie pracuje około 20 osób z różnych instytutów Polskiej Akademii Nauk, Narodowego Centrum Badań Jądrowych i kilku uniwersytetów poza Warszawą.
Wkrótce do europejskich i amerykańskich ośrodków wykrywających fale grawitacyjne ma dołączyć jeszcze jeden, w Japonii. Nazywa się KAGRA (Kamioka Gravitational Wave Detector) i jest budowany głęboko pod ziemią w górach.
Detektory, takie jak Virgo, LIGO czy KAGRA, to dopiero pierwszy krok. W Europie już narodził się pomysł na zbudowanie znacznie większego interferometru podziemnego. Nie na planie litery L, ale trójkąta o bokach 10 x 10 x 10 km, co ma wykluczyć sytuacje, w których fala grawitacyjna nadchodzi pod takim kątem, że równomiernie deformuje oba ramiona detektora i nie zostaje wykryta. Detektor nowego typu ma się nazywać Einstein Telescope (w skrócie ET), a jego czułość ma być 10-krotnie większa od tych stosowanych obecnie. Na razie rozważane są trzy lokalizacje: na Węgrzech, na Sardynii oraz w Polsce – ze wstępnych ekspertyz wynika, że dobrym miejscem dla urządzenia byłyby lochy zamku w Książu.
O interferometrze nowej generacji myślą też Amerykanie. Ich urządzenie o nazwie Explorer byłoby rozłożone na planie litery L, ale każde z ramion ma mieć około 40 km długości. Kolejny etap to umieszczenie detektora fal grawitacyjnych w kosmosie. Przewiduje to projekt LISA (Laser Interferometer Space Antenna) prowadzony przez Europejską Agencję Kosmiczną, który ma wystartować około 2035 r. Byłoby to urządzenie obserwacyjne na planie trójkąta, podobnie jak ET, lecz jego wierzchołki oddalone byłyby od siebie nie o 10 km, tylko o 2,5 mln kilometrów. „O ile spektrum częstotliwości ziemskich interferometrów mieści się w przedziale od 1 kHz do 10 kHz, w przypadku tego kosmicznego urządzenia zeszłaby do miliherców, co oznacza, że detektor wykrywałby zupełnie inne kosmiczne zdarzenia – wyjaśnia prof. Katsanevas. – Na razie nawet trudno powiedzieć jakie”.
Astrofizycy mają nadzieję, że doświadczenia prowadzone za pomocą nowego instrumentarium pozwolą lepiej zrozumieć najbardziej ekstremalne zjawiska mające wpływ na kształt wszechświata, ale też niewykluczone, że dzięki badaniom czarnych dziur będzie można stworzyć podstawy kwantowej grawitacji – czyli syntezy teorii względności i fizyki kwantowej.
Nowe odkrycia mają także wymiar czysto ludzki. „Wiekuista cisza tych nieskończonych przestrzeni przeraża mnie” – cytuje Katsanevas, tym razem Błażeja Pascala. Profesor przywołuje to zdanie, by wskazać, że możemy przestać się bać, bo wykrywanie fal grawitacyjnych można porównać do słyszenia dźwięków pochodzących z kosmosu. Dodajmy do tego, że naukowcy nauczyli się już wychwytywać neutrina, a więc niewielkie cząstki, które można nazwać zapachem wszechświata. Kiedy już opuszczam Virgo, myślę, że do pełni kosmicznego odczuwania przydałoby się jeszcze trochę smaku. Spróbuję to jakoś nadrobić. W końcu jestem w Toskanii.
Czytaj również:
