Na początku 2016 r. Międzynarodowa współpraca fizyków po raz pierwszy w historii zarejestrowała fale grawitacyjne. Fale powstały w wyniku połączenia dwóch czarnych dziur i zostały wykryte za pomocą specjalnego detektora-interferometru LIGO, który znajduje się w Stanach Zjednoczonych. Czym są fale grawitacyjne, dlaczego ich odkrycie zajęło sto lat i jaka jest w tym rola rosyjskich naukowców? Szef Obserwatorium Astronomicznego ISU, dyrektor naukowy Irkuckiego Planetarium Siergiej Yazev powiedział o tym „Oblastnaja”.
- Sto lat temu Albert Einstein zakończył pracę nad ogólną teorią względności. Nowa wówczas teoria pozwoliła na istnienie tak zwanych fal grawitacyjnych, które pojawiają się stale i wszędzie. Prosty przykład: machamy ręką, fale grawitacyjne odchodzą od dłoni. Ale grawitacja jest najsłabszą siłą w przyrodzie i do unieruchomienia fal grawitacyjnych potrzebne są dwa czynniki. Po pierwsze, musi być jakieś potężne wydarzenie, w którym zaangażowane są gigantyczne masy, na przykład łączenie się gwiazd ze sobą, upadek jednej gwiazdy na drugą lub coś podobnego. Po drugie, potrzebujemy niesamowicie czułego sprzętu, który rejestrowałby sygnał z tego zdarzenia na Ziemi.
Pomysł rejestrowania fal grawitacyjnych istnieje od dziesięcioleci. Fizycy doskonale rozumieli, co należy zrobić, ale niezbędne technologie po prostu długo nie istniały. Amerykański detektor interferometru LIGO, wykrywający sygnały fal grawitacyjnych, powstał już w 1992 roku. Przez długi czas fizycy nie potrafili niczego naprawić, ponieważ instalacji brakowało czułości. Faktem jest, że fale grawitacyjne są w rzeczywistości wibracjami pewnej istoty, którą fizycy nazywają „czasoprzestrzenią”. Oznacza to na przykład, że odległość między dwoma elementami instalacji może zacząć się zmieniać, ponieważ sama przestrzeń zmienia swoje właściwości. Okazało się, że wymagana czułość urządzenia wykracza poza granice rzeczywistej percepcji - amplituda oscylacji powinna być około 10 tysięcy razy mniejsza,niż rozmiar jądra atomowego. To fantastyczna dokładność. W ubiegłym roku instalacja została zmodernizowana, po czym można było zarejestrować sygnał z głębin Wszechświata o niezwykle silnym zdarzeniu - połączeniu dwóch czarnych dziur. Stało się to miliard trzysta milionów lat temu i dopiero 14 września ubiegłego roku jego echa dotarły do Ziemi. Dzięki jednocześnie rejestrowanemu rozbłyskowi gamma stało się jasne, że nie jest to szum losowy. Eksperci długo sprawdzali wynik i dopiero w lutym zaryzykowali powiadomienie świata o wielkim odkryciu.i dopiero 14 września ubiegłego roku jego echa dotarły do Ziemi. Dzięki jednocześnie rejestrowanemu rozbłyskowi gamma stało się jasne, że nie jest to szum losowy. Eksperci od dawna sprawdzali wynik i dopiero w lutym zaryzykowali poinformowanie świata, że dokonano wielkiego odkrycia.i dopiero 14 września ubiegłego roku jego echa dotarły do Ziemi. Dzięki jednocześnie rejestrowanemu rozbłyskowi gamma stało się jasne, że nie jest to szum losowy. Eksperci długo sprawdzali wynik i dopiero w lutym zaryzykowali powiadomienie świata o wielkim odkryciu.
Siergiej Arturowicz, jakie znaczenie dla nauki ma odkrycie fal grawitacyjnych?
- Fale grawitacyjne przechodzą przez wszystko. Oznacza to, że otrzymamy nowy rodzaj informacji o procesach fizycznych. Podczas wydarzenia 14 września trzy masy Słońca, kiedy połączyły się dwie czarne dziury, zamieniły się w energię fal grawitacyjnych. To potworna energia, więc nawet z odległości miliarda trzystu milionów lat świetlnych odczuliśmy to wydarzenie. Wyobraź sobie: wstrząs przestrzeni, który rozprzestrzenił się po całym wszechświecie.
Należy zauważyć, że kilka innych odkryć zostało dokonanych jednocześnie z rejestracją fal grawitacyjnych. Po pierwsze, uzyskano dowody na istnienie czarnych dziur. Astronomowie i astrofizycy nie wątpili w to, ale niektórzy fizycy teoretyczni do niedawna zaprzeczali istnieniu takich obiektów. Po drugie, potwierdzono, że fale grawitacyjne przemieszczają się z prędkością światła przewidzianą w ogólnej teorii względności.
Trzeba powiedzieć jeszcze jedno odkrycie. Istnieje taka koncepcja „horyzontu zdarzeń czarnej dziury”. Dwie dziury połączyły się ze sobą, horyzont zdarzeń przybrał pewien złożony kształt i podlegał fluktuacjom. Rezultatem jest skorupa, pod którą już znajduje się czarna dziura, ale jeszcze nie na zewnątrz. Efekt ten - dynamika horyzontu zdarzeń - został po raz pierwszy zarejestrowany podczas obserwacji, choć nikt nie spodziewał się takiego odkrycia.
Czy rosyjscy naukowcy brali udział w eksperymencie rejestracji fal grawitacyjnych?
Film promocyjny:
- Detektor-interferometr jest amerykański, ale doświadczenie dostarczył międzynarodowy zespół, w skład którego weszli rosyjscy specjaliści. Instalacja sama wychwyciła fale grawitacyjne, ale trzeba było zrozumieć, skąd one pochodzą, jakie zdarzenie je spowodowało. W tym celu w programie wykorzystano teleskopy z całego świata, w tym rosyjską sieć teleskopów MASTER. Jednak nadal można było określić źródło fal za pomocą obcej technologii.
Wiele teoretycznych podstaw eksperymentu przeprowadzonego w USA powstało w Rosji. W naszym kraju jednym z pionierów poszukiwań fal grawitacyjnych był słynny fizyk, pracownik Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego Władimir Braginsky.
Moskiewski astrofizyk, szef projektu MASTER, Vladimir Lipunov, wraz ze swoimi kolegami w 1992 roku opublikował artykuł, w którym stwierdzono, że pierwszym zdarzeniem ustalającym fale grawitacyjne będzie właśnie połączenie czarnych dziur. Ponadto wiadomo, że rosyjscy naukowcy przyczynili się do opracowania projektu detektora-interferometru. Ogólnie w projekcie wzięło udział około tysiąca osób, w ten czy inny sposób, a rosyjscy fizycy wnieśli swój wkład we wspólną sprawę.
Czy odkrycie fal grawitacyjnych może kwalifikować się do Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki?
- Ogólnie rzecz biorąc, odkrycie fal grawitacyjnych jest wydarzeniem klasy Nobla. W większości przypadków odkrycia są nieoczekiwane. Ale w ciągu ostatnich kilku lat zdarzały się dwa wyjątki, w których przewidywano odkrycia i tak się stało. Mowa o bozonie Higgsa, na którego odkrycie czekało kilkadziesiąt lat, oraz falach grawitacyjnych, których potwierdzenie zajęło sto lat. Wszystkie te zdarzenia były przewidziane teoretycznie, w obu przypadkach teoria okazała się słuszna i potwierdzona obserwacjami. W 2013 roku główną nagrodę z fizyki otrzymali François Engler i Peter Higgs. Myślę, że Nagroda Nobla zostanie również przyznana za odkrycie fal grawitacyjnych.