Einstein nie mylił się – zmiany grawitacyjne naprawdę rozchodzą się po przestrzeni jako jej „zmarszczki”. Eksperyment LIGO wykrył takie fale, powstałe w wyniku kolizji dwóch czarnych dziur o masach 36 i 29 razy większych od masy Słońca. Jednak połączenie 65 mas Słońca doprowadziło do powstania obiektu o „zaledwie” 62 masach Słońca. Co stało się z pozostałą masą? Została użyta jako źródło energii dla wybuchu fal grawitacyjnych, spektakularnej demonstracji słynnego wzoru Einsteina, E=Mc2, zrównującego między sobą masę i energię.
To dopiero początek. Wiedząc już, jak mierzyć fale grawitacyjne, możemy użyć eksperymentu LIGO i podobnych mu do badania zjawisk, do których wcześniej nie byliśmy w stanie dotrzeć, takich jak kolizje supermasywnych czarnych dziur we wczesnym Wszechświecie. Pojawiają się pytania: jak daleko możemy się cofnąć w czasie? I co z tzw. pierwotnymi falami grawitacyjnymi pochodzącymi z początków Wszechświata? Czy odkrycie LIGO pomoże nam takie odkryć?
Pomimo, że obiekty zaangażowane w to zjawisko były masywne jak na kosmiczne standardy, są one karzełkami przy supermasywnych czarnych dziurach, które według astronomów są obecne w centrum prawie każdej galaktyki. Nasza galaktyka, Droga Mleczna, zawiera w sobie czarną dziurę o masie równej prawie 4 milionom mas Słońca, wykrytej dzięki analizie ruchów gwiazd ją orbitujących. Jednak nawet ona jest dość kiepskim przykładem w porównaniu z czarnymi dziurami, które są 10 miliardów razy cięższe od Słońca i, zgodnie z naszymi przewidywaniami, znajdują się w centrach największych galaktyk.
Jest wiele rzeczy, których astronomowie chcieliby się dowiedzieć o takich czarnych dziurach. Obecnie obserwujemy je jedynie dzięki ogromnym ilościom promieniowania elektromagnetycznego produkowanego przez opadający na nie gaz. Wiadomo, że ten proces pomaga czarnym dziurom rosnąć. Nie mniej jednak ich rozmiar ciągle stanowi tajemnicę, ponieważ większość gazu w galaktykach porusza się zbyt szybko i jest zbyt daleko od czarnych dziur, żeby te mogły go wchłonąć.
Jednym z możliwych rozwiązań tej zagadki są kolizje pomiędzy supermasywnymi czarnymi dziurami, szczególnie kiedy były one stosunkowo młode i nie zebrały jeszcze zbyt wiele gazu. Jednakże taka fuzja mogłaby zachodzić jedynie w przypadku kolizji i połączenia się dwóch galaktyk z czarnymi dziurami w ich centrach. Jest to niesłychanie rzadkie zjawisko w bliskim Wszechświecie, jako że galaktyki rozmieszczone są daleko od siebie. Ale musiało ono być dużo częstsze wkrótce po Wielkim Wybuchu, gdy Wszechświat był znacznie mniejszy niż obecnie.
Tak więc wykrywanie fal grawitacyjnych pochodzących z takich kolizji oznacza patrzenie w przeszłość, obserwację najdalszych galaktyk. Światło pochodzące z nich wyruszyło w podróż do nas stosunkowo krótko po Wielkim Wybuchu. To może dać nam bezpośrednie wskazówki, jak ważne takie zdarzenia były dla tworzenia supermasywnych czarnych dziur w początkach ich życia. To istotne dla naszego własnego życia – promieniowanie elektromagnetyczne wyprodukowane przez rosnące czarne dziury miało znaczący wpływ na kształtowanie się galaktyk, w których gwiazdy i planety, włącznie z naszą, w spokoju unoszą się w przestrzeni.
Aby przeprowadzić takie obserwacje, potrzeba odbiornika o wiele większego od 4-kilometrowych ramion. Proponowany eksperyment eLISA ma na celu umieszczenie na orbicie okołosłonecznej trzech satelitów tworzących trójkąt równoboczny o boku dłuższym od promienia orbity Księżyca.
Jednak nawet kolizje supermasywnych czarnych dziur nie są ostatecznym celem. Wielki Wybuch, a dokładnie epoka bardzo szybkiej ekspansji, nazywana inflacją, która według wielu ekspertów nastąpiła krótko po początku Wszechświata, musiała wprawić ogromne masy w ruch z prędkościami bliskimi prędkości światła. Oznacza to, że musiały one wyprodukować ogromne ilości fal grawitacyjnych. Tak więc, najsilniejszy sygnał pochodzi od mas, których rozmiary są porównywalne z całym Wszechświatem. Jako, że promieniowanie grawitacyjne ma zazwyczaj długość fali większą od rozmiaru obiektu emitującego ją, fala tego „pierwotnego” promieniowania ma długość podobną do rozmiaru Wszechświata. Tak więc LIGO, jak i każdy inny eksperyment, który jest mniejszy od Wszechświata, nie będzie w stanie ich wykryć.
Detekcja takich fal musi najprawdopodobniej zostać przeprowadzona pośrednio, poprzez obserwację ich wpływu na kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła (KMPT) – promieniowania – pozostałości po Wielkim Wybuchu.
Kiedy fala świetlna drga w określonym kierunku, mówimy, że światło ma konkretną polaryzację. Jeśli fale grawitacyjne były obecne, gdy powstawało KMPT, powinny one pozostawić szczególny wzór – rotację w polaryzacji światła – nazywaną polaryzacją typu B. Wyniki oparte na badaniu polaryzacji typu B zostały ogłoszone kilka lat temu, jednak okazało się, że sygnał był wywołany przez kosmiczny pył. To tylko jeden z wielu czynników, które mogą zakłócać polaryzację KMPT. Pokazuje to, jak trudne będzie uzyskanie czystego sygnału. Stawka jest bardzo wysoka. Pozytywny wynik dałby nam dowody popierające teorię inflacji i umożliwiłby wyjaśnienie kilku zastanawiających zjawisk we Wszechświecie, takich jak dlaczego rozkład materii jest tak równomierny. Jednakże wykrycie takiego sygnału jest ogromnym wyzwaniem, tak jak pół wieku temu wyzwaniem było samo wykrycie fal grawitacyjnych.
