Oczekuje się, że pierwsze bezpośrednie wykrycie fal grawitacyjnych zostanie ogłoszone 11 lutego przez naukowców z Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO). Używając dwóch gigantycznych detektorów LIGO - jednego w Livingston w Luizjanie, a drugiego w Hanford w stanie Waszyngton - naukowcy zmierzyli zmarszczki w czasoprzestrzeni, które są generowane przez zderzenie dwóch czarnych dziur i wydaje się, że w końcu znaleźli to, czego szukali.
Takie stwierdzenie potwierdzałoby przewidywane przez Alberta Einsteina fale grawitacyjne, które 100 lat temu włączył do swojej ogólnej teorii względności, ale konsekwencje na tym się nie kończą. Jako wibracja struktury czasoprzestrzeni, fale grawitacyjne są często porównywane do dźwięku, a nawet przekształcane w ścieżki dźwiękowe. Teleskopy fal grawitacyjnych umożliwiłyby naukowcom „słyszenie” zjawisk w taki sam sposób, w jaki „widzą” je lekkie teleskopy.
Kiedy LIGO walczyło o fundusze od rządu USA na początku lat 90., astronomowie byli głównymi pretendentami do przesłuchań w Kongresie. „Uważano wtedy, że LIGO nie ma nic wspólnego z astronomią” - mówi Clifford Will, teoretyk ogólnej teorii względności z University of Florida w Gainesville i jeden z pierwszych zwolenników LIGO. Ale od tego czasu wiele się zmieniło.
Witamy w dziedzinie astronomii fal grawitacyjnych. Przyjrzyjmy się problemom i zjawiskom, które mogła ujawnić.
Czy czarne dziury naprawdę istnieją?
Sygnał oczekiwany z komunikatu LIGO mógł pochodzić z dwóch łączących się czarnych dziur. Wydarzenia takie jak te są najbardziej energicznymi ze znanych; siła emitowanych przez nie fal grawitacyjnych może na krótko przyćmić wszystkie gwiazdy obserwowanego wszechświata. Scalające się czarne dziury są również dość łatwe do zinterpretowania na podstawie bardzo czystych fal grawitacyjnych.
Film promocyjny:
Sygnał oczekiwany z komunikatu LIGO mógł pochodzić z dwóch łączących się czarnych dziur. Wydarzenia takie jak te są najbardziej energicznymi ze znanych; siła emitowanych przez nie fal grawitacyjnych może na krótko przyćmić wszystkie gwiazdy obserwowanego wszechświata. Scalające się czarne dziury są również dość łatwe do zinterpretowania na podstawie bardzo czystych fal grawitacyjnych.
Do łączenia się czarnych dziur dochodzi, gdy dwie czarne dziury obracają się wokół siebie, emitując energię w postaci fal grawitacyjnych. Fale te mają charakterystyczny dźwięk (ćwierkanie), który można wykorzystać do zmierzenia masy tych dwóch obiektów. Następnie czarne dziury zwykle się łączą.
„Wyobraź sobie dwie bańki mydlane, które zbliżają się wystarczająco blisko, aby utworzyć jeden bąbelek. Większy bąbel jest zdeformowany”- mówi Tybalt Damour, teoretyk grawitacji z Institute for Advanced Scientific Research pod Paryżem. Ostatnia czarna dziura będzie idealnie kulista, ale najpierw musi emitować fale grawitacyjne przewidywalnego typu.
Jedną z najważniejszych naukowych implikacji odkrycia połączeń czarnych dziur będzie potwierdzenie istnienia czarnych dziur - przynajmniej idealnie okrągłych obiektów zbudowanych z czystej, pustej, zakrzywionej czasoprzestrzeni, zgodnie z przewidywaniami ogólnej teorii względności. Inną konsekwencją jest to, że połączenie przebiega zgodnie z przewidywaniami naukowców. Astronomowie mają wiele pośrednich potwierdzeń tego zjawiska, ale jak dotąd były to obserwacje gwiazd i przegrzanego gazu na orbicie czarnych dziur, a nie samych czarnych dziur.
„Społeczność naukowa, łącznie ze mną, nie lubi czarnych dziur. Uważamy je za coś oczywistego”- mówi Frans Pretorius, specjalista od symulacji ogólnej teorii względności na Uniwersytecie Princeton w New Jersey. „Ale jeśli pomyślisz o tym, jak niesamowita jest to przepowiednia, potrzebujemy naprawdę niesamowitego dowodu”.
Czy fale grawitacyjne poruszają się z prędkością światła?
Kiedy naukowcy zaczynają porównywać obserwacje LIGO z obserwacjami innych teleskopów, pierwszą rzeczą, którą sprawdzają, jest to, czy sygnał dotarł w tym samym czasie. Fizycy uważają, że grawitacja jest przenoszona przez grawitonowe odpowiedniki fotonów. Jeśli, podobnie jak fotony, cząstki te nie mają masy, wówczas fale grawitacyjne będą poruszać się z prędkością światła, zgodnie z przewidywaniami prędkości fal grawitacyjnych w klasycznej teorii względności. (Na ich prędkość może mieć wpływ przyspieszająca ekspansja Wszechświata, ale powinno to objawiać się na odległościach znacznie przekraczających te, które pokonuje LIGO).
Jest jednak całkiem możliwe, że grawitony mają niewielką masę, co oznacza, że fale grawitacyjne będą poruszać się z prędkością mniejszą niż światło. Na przykład, jeśli LIGO i Virgo wykryją fale grawitacyjne i dowiedzą się, że fale przybyły na Ziemię później niż było to związane z kosmicznym zdarzeniem promieni gamma, może to mieć fatalne konsekwencje dla fizyki fundamentalnej.
Czy czasoprzestrzeń składa się z kosmicznych strun?
Jeszcze dziwniejsze odkrycie mogłoby się wydarzyć, gdyby wykryto wybuchy fal grawitacyjnych emanujących z „kosmicznych strun”. Te hipotetyczne defekty krzywizny czasoprzestrzennej, które mogą, ale nie muszą być związane z teoriami strun, powinny być nieskończenie cienkie, ale rozciągnięte na kosmiczne odległości. Naukowcy przewidują, że kosmiczne struny, jeśli istnieją, mogą się przypadkowo zgiąć; jeśli struna zgnie się, spowoduje to gwałtowny wzrost grawitacji, który mogą mierzyć detektory takie jak LIGO czy Virgo.
Czy gwiazdy neutronowe mogą być postrzępione?
Gwiazdy neutronowe to pozostałości po dużych gwiazdach, które zapadły się pod własnym ciężarem i stały się tak gęste, że elektrony i protony zaczęły topić się w neutrony. Naukowcy mają niewielką wiedzę na temat fizyki dziur neutronowych, ale fale grawitacyjne mogą wiele o nich powiedzieć. Na przykład intensywna grawitacja na ich powierzchni powoduje, że gwiazdy neutronowe stają się prawie idealnie kuliste. Jednak niektórzy naukowcy zasugerowali, że mogą mieć również „góry” - kilka milimetrów wysokości - które sprawiają, że te gęste obiekty o średnicy nie większej niż 10 kilometrów są nieco asymetryczne. Gwiazdy neutronowe mają tendencję do bardzo szybkiego obracania się, więc asymetryczny rozkład masy zniekształci czasoprzestrzeń i wytworzy stały sygnał sinusoidalnej fali grawitacyjnej, spowalniając rotację gwiazdy i promieniującą energię.
Pary gwiazd neutronowych, które krążą wokół siebie, również wytwarzają stały sygnał. Podobnie jak czarne dziury, te gwiazdy poruszają się spiralnie i ostatecznie łączą się w charakterystyczny dźwięk. Ale jego specyfika różni się od specyfiki brzmienia czarnych dziur.
Dlaczego gwiazdy eksplodują?
Czarne dziury i gwiazdy neutronowe powstają, gdy masywne gwiazdy przestają świecić i zapadają się w siebie. Astrofizycy uważają, że ten proces leży u podstaw wszystkich powszechnych typów eksplozji supernowych typu II. Symulacje takich supernowych nie ujawniły jeszcze, dlaczego się zapalają, ale uważa się, że odpowiedź na to pytanie dostarczy słuchanie wybuchów fal grawitacyjnych emitowanych przez prawdziwą supernową. W zależności od tego, jak wyglądają fale wybuchowe, jak głośne są, jak często występują i jak korelują z supernowymi śledzonymi przez teleskopy elektromagnetyczne, dane te mogą pomóc wykluczyć kilka istniejących modeli.
Jak szybko rozszerza się wszechświat?
Rozszerzający się wszechświat oznacza, że odległe obiekty, które oddalają się od naszej galaktyki, wydają się bardziej czerwone niż w rzeczywistości, ponieważ światło, które emitują, jest rozciągane podczas ruchu. Kosmolodzy szacują tempo rozszerzania się Wszechświata, porównując przesunięcie galaktyk ku czerwieni z odległością, jaką są od nas. Jednak odległość ta jest zwykle szacowana na podstawie jasności supernowych typu Ia, a ta technika pozostawia wiele wątpliwości.
Jeśli kilka detektorów fal grawitacyjnych na całym świecie wykryje sygnały z połączenia tych samych gwiazd neutronowych, razem mogą absolutnie dokładnie oszacować głośność sygnału, a także odległość, na jaką nastąpiło połączenie. Będą również w stanie ocenić kierunek, a wraz z nim zidentyfikować galaktykę, w której nastąpiło zdarzenie. Porównując przesunięcie ku czerwieni tej galaktyki z odległością do łączących się gwiazd, można uzyskać niezależne tempo kosmicznej ekspansji, prawdopodobnie dokładniejsze niż pozwalają na to obecne metody.