Einstein się nie mylił. Jego teoretyczne analizy eksperymentalnie potwierdziły rezultaty badań w projekcie LIGO/VIRGO - detekcja fal grawitacyjnych. Za to osiągniecie fizycznego Nobla 2017 otrzymali Rainer Weiss, Barry C. Barish i Kip S. Thorne. Wyjaśniamy, o co chodzi w tej materii!

Dawno, bardzo dawno temu w odległej galaktyce...
...zderzyły się dwie czarne dziury o masach około 30 razy większych od masy naszego Słońca. W wyniku tej trwającej ułamek sekundy kolizji ogromna ilość energii została w postaci fal grawitacyjnych wyemitowana w kosmos. 14 września 2015 roku ślad tej energii zanotowały detektory na Ziemi. Odeległość jaką przebyły grawitacyjne fale to niebagatelne 1,3 mld lat świetlnych. 

Detekcja fal nie byłaby możliwa bez pracy wieluset fizyków przez ostatnich kilkadziesiąt lat. Sam Einstein nie wierzył, że będzie to kiedyś możliwe i że jego toretyczne wyliczenia mogą zostać potwierdzone doświadczalnie. A jednak udało się, w czym dużo zasługi nagrodzonych naukowców. W połowie lat 70. Rainer Weiss zajmował się zakłoceniami pracy instrumentów pomiarowych. Zaprojektował specjalny detektor - interferometr laserowy, który mógł wskazywać dokładniejsze pomiary, pomijając w swej pracy tzw. szum tła. Wraz z Kipem Thornem był przekonany, że możliwe będzie także "pochwycenie" fal grawitacyjnych. Stało się to 40 lat później.

O komentarz do tej nagrody i badań związanych z falami grawitacyjnymi poprosiliśmy prof. Michała Ostrowskiego z Obserwatorium Astronomicznego UJ. Prof. Ostrowski wraz ze współpracownikami także uczestniczy w projekcie LIGO/VIRGO. Część więc noblowskiej schedy może być przypisana i jego badaniom.

Gdy monstra się zderzają...

- "Fale grawitacyjne, czyli propagujace się w kosmosie z prędkością światła „zmarszczki pola grawitacyjnego”, sa czymś podobnym do fal elektromagnetycznych" - tłumaczy nasz ekspert. Jednakże ich stosunkowo nieznaczna energia powoduje, że dla ich zaobserwowania potrzeba niezwykle silnych oddziaływań (oddziaływanie grawitacyjne jądra atomu i elektronów jest znacznie słabsze niż oddziaływanie elektryczne między tymi samymi elementami). - "Jedynie zjawiska niezykle gwałtowne z udziałem bardzo silnych pól grawitacyjnych, jak przykladowo zlewanie sie dwóch czarnych dziur czy dwóch gwiazd neutronowych, wytwarzają fale, które udało sie ostatnio zmierzyć".

Obecne pomiary ograniczają się właśnie do takich, niezwykle energetycznych zjawisk z udziałem czarnych dziur lub gwiazd neutronowych. - "W przypadku pierwszego pomiaru fal grawitacyjnych na Ziemi, będącego efektem zlewających się dwóch masywnych czarnych dziur moc wypromieniowywana w tym krótkim procesie jako fale grawitacyjne była tak wielka, że uniesiona przez fale energia była równoważna energii spoczynkowej kilku mas Słońca. W tym, danym momencie to było więcej niż promieniowanie całej reszty obserwowanego przez nas Wszechświata" - podkreśla krakowski badacz.

W pobliże początku Wszechświata

- "Sygnał, który nadszedł z kosmosu i został pochwycony przez detektory LIGO/VIRGO był niezwykle słaby, ale stał się zapowiedzią wielkiej rewolucji w astrofizyce" - podkreśla Komitet Noblowski w informacji o przyznaniu Nagrody Nobla. Skąd taka prognoza?

- "Już w tej chwili kilka pierwszych pomiarów zjawisk zlewania się czarnych dziur i gwiazd neutronowych przyniosło niezwykły skok w poszerzeniu możliwości badań astrofizycznych" - odpowiada prof. Ostrowski. - "Został otwarty całkiem nowy kanał badań Wszechświata, który sięga w odległe rejony kosmosu, może nawet sięgnie w pobliże początku Wszechświata, dużo dalej niż promieniowanie mikrofalowe tła". Ich znaczenie naukowe bierze się stąd, że dzięki bardzo słabemu oddziaływaniu z ośrodkiem, fale grawitacyjne mogą swobodnie wypływać z obszarów przysłoniętych pyłem i gazem ośrodka międzygwiazdowego, z obszarów zasłoniętych dla innych zakresów promieniowania.

Fale grawitacyjne podróżują z prędkością światłą i wypełniają Wszechświat, ich żródłem mogą być także mniej spektakularne zdarzenia niż kolicja czarnych dziur lub gwiazd, np. zderzenie samochodów. - "Fale grawitacyjne są wytwarzane przez prawie wszystkie poruszajace się masy, jeśli tylko ruch nie jest wirowaniem kuli czy bąka. Ale związane z tym fale grawitacyjne są tak minimalne, że mogą być całkiem zaniedbywalne i nie sądze, aby kiedykolwiek w przyszłosci można było je wychwycić" - objaśnia prof. Ostrowski.

- "Już te fale pochwyciliśmy i wykorzystujemy zarówno do badań kosmosu jak i testowania teorii grawitacji.  Na razie Ogólna Teoria Względności Einsteina spisuje sie znakomicie". - podsumowuje astrofizyk z UJ.

Od wielu lat w badaniach dotyczących fal grawitacyjnych bierze udział duży zespół polskich instytucji naukowych "POLGRAW", kierowany przez prof. Andrzeja Królaka z Warszawy. - "W roku 2015 dołączył do tych badań krakowski zespół, mierzący fale elektromagnetyczne ekstremalnie niskich częstości, kierowany przez dr hab. Andrzeja Kułaka z Katedry Elektroniki AGH i mnie z Obserwatorium Astronomicznego UJ (patrz projekt WERA). Nasze pomiary i badania pozwalają na wykluczenie ewentualnych skorelowanych pomiarów odległych detektorów fal grawitacyjnych w przypadku, gdyby mikroskopijne mierzone w nich efekty zostały jednak wywołane oddziaływaniami elektromagnetycznymi. Dla pomiarów LIGO bardzo dobrze sprawuje taką kontrolę nasza stacja pomiarowa w USA, umieszczona mniej więcej w połowie odległości pomiędzy detektorami fal grawitacyjnych" - opowiada prof. Ostrowski.

Źródło: www.nauka.uj.edu.pl