Po raz pierwsze naukowcom udało się zaobserwować zmarszczki czasoprzestrzeni zwane falami grawitacyjnymi, których źródłem są katastroficzne zjawiska mające miejsce we Wszechświecie. Jest to kolejne potwierdzenie ważnego przewidywania ogólnej teorii względności, ogłoszonej przez Alberta Einsteina w 1915 roku. Odkrycie to otwiera zupełnie nowe okno na Wszechświat, gdyż fale grawitacyjne niosą informacje o swoich źródłach i naturze grawitacji, które nie mogą zostać otrzymane w żaden inny sposób.

Fale grawitacyjne zostały wykryte 14 września 2015 roku o 11:51 polskiego czasu letniego przez bliźniacze detektory LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory, Laserowe Interferometryczne Obserwatorium Fal Grawitacyjnych), znajdujące się dwóch różnych krańcach Stanów Zjednoczonych. Częstotliwość zarejestrowanego sygnału znajdowała się w przedziale 35 – 250 Hz. W trakcie ośmiu cykli częstotliwość rosła od 35 do 150 Hz, kiedy zostało osiągnięte maksimum amplitudy sygnału, który następnie gwałtownie zanikł. Względne odkształcenie ramion interferometru osiągnęło 10-21, co w przypadku ramion interferometru o długości 4 kilometrów przekłada się na odkształcenie o rozmiarze rzędu jednej tysięcznej średnicy protonu. Całkowity czas trwania impulsu to jedynie 0,1 sekundy.

Po dopasowaniu szablonów pochodzących z symulacji komputerowych, sygnał został zinterpretowany jako powstały podczas ułamka sekundy w trakcie zlewania się dwóch czarnych dziur. Naukowcy oszacowali, że dwie czarne dziury miały masy równe 36 i 29 masom Słońca. Częstotliwość orbitalna układu tuż przed zderzeniem wynosiła 75 Hz – co oznacza, że czarne dziury okrążały się 75 razy na sekundę, znajdując się w odległości 350 kilometrów. Końcowym rezultatem stała się obracająca się czarna dziura o masie 62 mas Słońca. Różnica między sumą mas składników, a maśą powstałego obiektu – 3 masy Słońca – została wypromieniowana w postaci fal grawitacyjnych w ciągu ułamku sekundy. Porównując czasy dotarcia sygnałów, które różniły się o 7 milisekund, naukowcy byli w stanie zlokalizować źródło jako znajdujące się na południowej półkuli nieba, w odległości około 1,3 miliarda lat świetlnych.

Zderzenie dwóch czarnych dziur było przewidywane, ale nigdy wcześniej nie zostało zaobserwowane. Zgodnie z ogólną teorią względności, para czarnych dziur orbitując wokół siebie traci energię poprzez emisję fal grawitacyjnych, co powoduje, że obiekty powoli się do siebie zbliżają. W trakcie ostatniego ułamka sekundy poruszają się one z prędkością równą prawie połowie prędkości światła, zamieniając część masy w energię, zgodnie ze wzorem E=mc2. Ta energia zostaje wyemitowana w pojedynczym impulsie fal grawitacyjnych, co właśnie zarejestrowały detektory LIGO.

Istnienie fal grawitacyjnych zostało po raz pierwszy potwierdzone w latach ’70 i ’80 przez Russella Hulse’a oraz Josepha Taylora. Odkryli oni system składający się z pulsara i gwiazdy neutronowej. Okazało się, że orbita pulsara zacieśniała się stopniowo w wyniku emisji fal grawitacyjnych, co było idealnie zgodne z przewidywaniami ogólnej teorii względności. Za swoje odkrycie otrzymali oni Nagrodę Nobla w 1993 roku.

Odkrycia dokonano analizując pierwszych 16 dni zbierania danych, pomiędzy 12 września a 20 października 2015 roku. W tej chwili opracowywane są dane z całego pierwszego cyklu obserwacyjnego, trwającego do 12 stycznia 2016 roku. W analizie danych uczestniczą dwa duże, międzynarodowe zespoły naukowców, składające się w sumie z ponad 1200 członków z ponad 15 krajów. W badaniach uczestniczyło także 15 Polaków zrzeszonych w grupie POLGRAW. Pracowali oni nad modelowaniem sygnałów fal grawitacyjnych generowanych przez układy podwójne oraz przeprowadzili symulacje pokazujące, że to właśnie układy podwójne czarnych dziur będą najlepiej wykrywane przez LIGO. Polscy naukowcy zasiadają także w różnych gremiach administracyjnych projektu LIGO.

Pierwsza bezpośrednia detekcja fal grawitacyjnych otwiera zupełnie nowe okno na Wszechświat. Do tej chwili obserwacje mogliśmy prowadzić jedynie przy pomocy promieniowania elektromagnetycznego – czyli po prostu światła, oraz detekcji wysokoenergetycznych cząstek docierających z przestrzeni kosmicznej na Ziemię. Fale grawitacyjne dadzą nam zupełnie nowy wgląd w fizykę czarnych dziur, gwiazd neutronowych oraz początków Wszechświata. Jak w przypadku każdego nowego sposobu obserwacji, możemy spodziewać się także odkrycia zupełnie nowych i niespodziewanych zjawisk.

Autor

Grzegorz Gajda