Jak usłyszeliśmy grawitacyjne echo kraksy sprzed 1,3 mld lat?

Kiedy TO się stało więk­szość miesz­kań­ców Luizja­ny jeszcze smacz­nie spała. 14 wrze­śnia 2015 roku super­czu­ły detek­tor LIGO w Living­ston złapał sygnał. Usta­wio­ne pro­sto­pa­dle do siebie wiązki lasera uchwy­ci­ły moment, w którym długość czte­ro­ki­lo­me­tro­wych ramion inter­fe­ro­me­tru zawa­ha­ła się o 10^-18 m. Tyle co nic. Mogłaby to być przy­pad­ko­wa ano­ma­lia, ale siedem mili­se­kund później iden­tycz­ną zmianę odno­to­wał drugi detek­tor LIGO, ulo­ko­wa­ny 3 tysiące kilo­me­trów dalej, w Hanford w stanie Waszyngton.

Na wykre­sie wyglą­da­ło to tak:

Przez Kulę Ziemską prze­szła fala gra­wi­ta­cyj­na, a ludzie po raz pierw­szy w dzie­jach byli w stanie ją zauwa­żyć. Wyda­rze­niu nadano for­mal­ną nazwę GW150914 – skrót od Gra­vi­ta­tio­nal Wave i daty odkry­cia 2015-09-14.

Była to piękna koin­cy­den­cja. Odkry­cia doko­na­no niemal równo 100 lat od momentu, kiedy Albert Ein­ste­in ukoń­czył swoje rów­na­nia pola, na pod­sta­wie których sfor­mu­ło­wał ogólną teorię względ­no­ści. A ogólna teoria względ­no­ści jest w tym wszyst­kim abso­lut­nie kluczowa.

W sercu idei Ein­ste­ina tkwiło odważne twier­dze­nie: prze­strzeń nie jest bierną areną zdarzeń, lecz rze­czy­wi­stym, fizycz­nym i dyna­micz­nie ewo­lu­ują­cym bytem. Na dodatek w dziwny sposób fun­da­men­tal­nie połą­czo­nym z czasem. Wszyst­kie obiekty we wszech­świe­cie, łącznie z tobą i ze mną, pozo­sta­ją zanu­rzo­ne w nie­wi­dzial­nej, ale realnej sieci czasoprzestrzeni.

A ponie­waż Ein­ste­in lubił odważne twier­dze­nia, dorzu­cił też kolejne: gra­wi­ta­cja nie jest jakąś “siłą” w new­to­now­skim sensie. Przy­cią­ga­nie dwóch ciał to kon­se­kwen­cja zakrzy­wio­nej geo­me­trii cza­so­prze­strze­ni wywo­ła­nej obec­no­ścią masy. Innymi słowy, gdyby wszech­świat był cał­ko­wi­cie pusty nasza nie­wi­dzial­na sieć pre­zen­to­wa­ła­by się tak:

Jednak wszech­świat zde­cy­do­wa­nie nie jest pusty. Wypeł­nia­ją go cząstki, duże i małe kamie­nie, obłoki gazu, kule plazmy oraz czarne dziury. Każda z tych rzeczy naciska na tkankę cza­so­prze­strze­ni, tworząc wokół siebie zakrzy­wie­nia i zagłę­bie­nia. Tym większe z im większą kon­cen­tra­cją masy mamy do czy­nie­nia. Pobli­skie mniej­sze ciała toczą się po tych krzy­wi­znach, co postrze­ga­my jako efekt dzia­ła­nia grawitacji.

Sprawa staje się jeszcze cie­kaw­sza, kiedy uświa­do­mi­my sobie, że wszyst­kie te obiekty pozo­sta­ją w ruchu. Orbi­tu­ją, wirują, czasem wybu­cha­ją. Jeżeli masywny układ nie jest dosko­na­le gładki i syme­trycz­ny (a zwykle nie jest), dodat­ko­wo staje się źródłem drob­nych drgań cza­so­prze­strze­ni, roz­cho­dzą­cych się po wszech­świe­cie jak zmarszcz­ki na tafli wody, po wrzu­ce­niu do niej kamyka.

Żeby to sobie zwi­zu­ali­zo­wać, pomyśl o zbiorze cząstek wiszą­cych sobie gdzieś w kosmo­sie, uło­żo­nych w kształt cylin­dra. Jeśli cza­so­prze­strzeń zacznie falować wzdłuż osi tego cylin­dra, odle­gło­ści pomię­dzy cząst­ka­mi zaczną się zmieniać:

To właśnie słynne fale gra­wi­ta­cyj­ne. Deli­kat­ne odkształ­ce­nia w samej struk­tu­rze cza­so­prze­strze­ni, które – obie­cu­ję, że to już ostat­nie odważne twier­dze­nie Ein­ste­ina – roz­bie­ga­ją się dookoła swojego źródła z ogra­ni­czo­ną pręd­ko­ścią, równą pręd­ko­ści światła w próżni.

Czy to oznacza, że Ziemia okrążająca Słońce wytwarza takie fale grawitacyjne?

Wła­ści­wie tak, jednak ciała Układu Sło­necz­ne­go są zbyt lekkie i nudne (brak asy­me­trii orbit i wyraź­nych przy­śpie­szeń) żeby dało się to zmie­rzyć. Ewen­tu­al­ne odkształ­ce­nia mają bardzo, bardzo niską energię i częstotliwość.

Dla kon­tek­stu powi­nie­neś wie­dzieć, że cza­so­prze­strzeń nie­chęt­nie ulega defor­ma­cjom. Gdybyś położył cen­ty­metr od siebie dwa protony, ich przy­cią­gnie gra­wi­ta­cyj­ne byłoby 10³⁷ razy (!) mniej­sze niż odpy­cha­ją­ca je siła elek­tro­sta­tycz­na. Morał z tego jest taki, że gra­wi­ta­cja to żało­śnie słabe oddzia­ły­wa­nie. Pomimo, że teo­re­tycz­nie każda cząstka materii wywiera nacisk na sieć cza­so­prze­strze­ni, tak napraw­dę tylko tyta­nicz­ne masy mają w tej grze cokol­wiek do powiedzenia.

Fale gra­wi­ta­cyj­ne są przy tym same w sobie wyjąt­ko­wo sub­tel­nym zja­wi­skiem. Dlatego żeby mieć jakie­kol­wiek szanse na ich obser­wa­cję, trzeba zwrócić się ku naj­bar­dziej eks­tre­mal­nym obiek­tom w całym wszech­świe­cie. Tymi są rzecz jasna czarne dziury, gwiazdy neu­tro­no­we i ewen­tu­al­nie białe karły.

Fizycy na długo przed roz­po­czę­ciem pro­jek­tu LIGO mieli świa­do­mość, że naj­lep­szy­mi emi­te­ra­mi fal gra­wi­ta­cyj­nych będą układy podwój­ne takich potwo­rów. Prze­ko­na­li się o tym już pół wieku temu, kiedy wpadli na pierw­szy dowód ist­nie­nia fal.

Przecież fale złapano dopiero w roku 2015!

To prawda, ale mocny pośred­ni dowód prze­ma­wia­ją­cy za ich ist­nie­niem udało się zdobyć już w roku 1974. Joseph Taylor i Russell Hulse z Prin­ce­ton odkryli wtedy system PSR 1913+16, złożony z dwóch ciał (przy­pusz­czal­nie dwóch pul­sa­rów) o masach nieco więk­szych od Słońca i krą­żą­cych szybko po bardzo cia­snych orbi­tach wokół wspól­ne­go środka masy. 

Po czte­rech latach obser­wa­cji fizycy zauwa­ży­li, że oba ciała powoli się do siebie zbli­ża­ją, a orbity co roku ulegają skró­ce­niu o 3,5 metra. Układ gubił gdzieś swoją energię. Wypro­mie­nio­wy­wał ją pod posta­cią nie­wi­dzial­nych fal gra­wi­ta­cyj­nych, w zgodzie z prze­wi­dy­wa­nia­mi ogólnej teorii względności.

Jednak bez­po­śred­nie przy­ła­pa­nie zmarsz­czek cza­so­prze­strze­ni jeszcze długo wyda­wa­ło się nie do zro­bie­nia. Albert Ein­ste­in uważał wręcz, że nawet jeżeli przez Ziemię non stop prze­ni­ka­ją jakieś fale, to są one tak słabe, że być może nigdy nie zostaną zarejestrowane.

Dobrze, że na starość Einstein często się mylił.

Ten scep­ty­cyzm był uza­sad­nio­ny. Kiedy patrzysz na ani­ma­cje, w których cząstki materii łagod­nie falują w rytm wędru­ją­cych zabu­rzeń cza­so­prze­strze­ni, widzisz wyide­ali­zo­wa­ne i dra­ma­tycz­nie prze­ska­lo­wa­ne modele.

Odkształ­ce­nia, o których mówimy zmie­nia­ją odle­gło­ści w prze­strze­ni średnio o czynnik 10^-21. Oznacza to tyle, że jeżeli fala gra­wi­ta­cyj­na wyemi­to­wa­na w innej galak­ty­ce prze­cho­dzi przez Układ Sło­necz­ny, to dystans między Ziemią i Słońcem (150 mln km) zosta­nie roz­cią­gnię­ty lub skur­czo­ny o… śred­ni­cę atomu wodoru (1,5 × 10^{-10 m}). W naszej przy­ziem­nej skali, odchy­le­nia będą odpo­wied­nio jeszcze mniej­sze i porów­ny­wal­ne z roz­mia­ra­mi cząstek sub­a­to­mo­wych. To tyle co nic.

Potrze­bo­wa­li­śmy więc przy­rzą­du zdol­ne­go do zmie­rze­nia “niczego”. Wyko­rzy­sta­no spraw­dzo­ną, bo znaną od ponad stu­le­cia, kon­cep­cję inter­fe­ro­me­tru Michelsona.

Działa to tak. Wiązka lase­ro­wa jest roz­dzie­la­na na dwie części przez spe­cjal­ne pół­od­bi­ja­ją­ce zwier­cia­dło. Wycho­dzą­ce z tego miejsca wiązki są kie­ro­wa­ne do dwóch pro­sto­pa­dłych ramion, na końcach których również zawie­szo­ne są zwier­cia­dła. Po serii odbić wiązki ponow­nie łączą się w detek­to­rze, który spraw­dza, czy fale lasera inter­fe­ru­ją ze sobą w prze­wi­dy­wal­ny sposób.

Jeśli apa­ra­tu­ra nie wykryje żadnych odchy­leń od normy, to dlatego, że obie wiązki prze­by­ły dokład­nie ten sam dystans, a żadne z luster nie uległo poru­sze­niu. Jeżeli nato­miast instru­men­ty wykażą prze­su­nię­cie prążków inter­fe­ren­cyj­nych, będzie to ozna­cza­ło, że odle­głość uległa zmianie. Ramię inter­fe­ro­me­tru zostało roz­cią­gnię­te na skutek przej­ścia fali grawitacyjnej.

Tu widać o co chodzi jeszcze lepiej:

Ogólna zasada wydaje się więc dość prosta. Pro­ble­mem są szcze­gó­ły tech­nicz­ne, które uczy­ni­ły z tego pro­jek­tu jeden z naj­dzik­szych wyczy­nów inży­nie­ryj­nych w histo­rii nauki.

Wra­że­nie robi już sama skala urzą­dze­nia. Ramiona detek­to­rów LIGO mają aż 4 kilo­me­try dłu­go­ści, czy czyni je naj­więk­szy­mi inter­fe­ro­me­tra­mi w dzie­jach. Same ramiona kryją tunele, wewnątrz których panuje próżnia na pozio­mie bilio­no­wej części ciśnie­nia atmos­fe­rycz­ne­go – żeby zbłą­ka­ne mole­ku­ły powie­trza nie roz­pra­sza­ły wiązki lasera. Z kolei rolę zwier­cia­deł pełnią 40-kilo­gra­mo­we plastry szkła kwar­co­we­go, gładsze niż lustra zain­sta­lo­wa­ne w Bardzo Dużym Tele­sko­pie (VLT) w Chile.

Jednak naj­więk­szym wyzwa­niem dla kon­struk­to­rów LIGO, było wytłu­mie­nie szumu tła. Wstrzą­sy sej­smicz­ne, odległe burze z pio­ru­na­mi, prace budow­la­ne, prze­jeż­dża­ją­ce cię­ża­rów­ki, kon­cer­ty na pobli­skich sta­dio­nach – wszyst­ko wokół nas wywo­łu­je drgania, które bez trudu mogłyby zanie­czy­ścić tak skru­pu­lat­ne pomiary. Dlatego zwier­cia­dła i w ogóle wszyst­kie klu­czo­we ele­men­ty układu optycz­ne­go zostały zawie­szo­ne przy użyciu wie­lo­stop­nio­we­go systemu tłu­mi­ków, gdzie każdy odpo­wia­da za wyga­sza­nie drgań w innym zakre­sie częstotliwości.

A żeby mieć abso­lut­ną pewność, że nasłu­chi­wa­ne szmery pocho­dzą spoza planety, wybu­do­wa­no nie jeden, ale dwa iden­tycz­ne, wielkie i ultra­no­wo­cze­sne inter­fe­ro­me­try. Jeden w Luizja­nie, drugi w stanie Waszyng­ton. Budowa obu kom­plek­sów oraz ich moder­ni­za­cja (Advan­ced LIGO), kosz­to­wa­ła około pół miliar­da dolarów. (Nie tak dużo, jeśli zauwa­ży­my, że podobne sumy potra­fi­li prze­hu­lać twórcy Juras­sic World Domi­nion czy innych Star Warsów).

Na efekt tych wszyst­kich inży­nie­ryj­nych popisów, jak już wiesz, musie­li­śmy czekać do 14 wrze­śnia 2015 roku. W tym dniu na odczy­tach obu inter­fe­ro­me­trów objawił się bliź­nia­czy silny sygnał, ozna­czo­ny jako GW150914.

Wiadomo skąd został “nadany”?

Z nie­po­zor­ne­go wykresu naukow­cy potra­fią odczy­tać zadzi­wia­ją­co dużo infor­ma­cji na temat źródła sygnału. W tym przy­pad­ku były to dwie dorodne czarne dziury. Pierw­sza miała masę 29, a druga 36 razy większą od masy Słońca (M☉). Przez miliony lat krążyły wokół wspól­ne­go środka masy, złą­czo­ne w gra­wi­ta­cyj­nym tańcu śmierci, gdzie po każdym obiegu ich orbity ulegały skróceniu.

LIGO wychwy­ci­ły głośny finał tej histo­rii. Na ułamek sekundy przed kraksą, pręd­kość obu potwo­rów wyno­si­ła 180 000 km/s, a czę­sto­tli­wość emi­to­wa­nych fal gra­wi­ta­cyj­nych sko­czy­ła od 35 do 250 Hz. Pod­kre­ślam: dwa obiekty o masie kil­ka­dzie­siąt razy więk­szej od naszego Słońca, wiro­wa­ły w tempie prze­kra­cza­ją­cym 60% pręd­ko­ści światła!

Nastą­pi­ła kolizja i fuzja czar­nych dziur. Jedno z naj­bar­dziej ener­ge­tycz­nych zjawisk znanych naturze. Gdyby prze­ło­żyć to na fale dźwię­ko­wą, w słu­chaw­kach usły­szał­byś cha­rak­te­ry­stycz­ny “świer­got”.

Nie, żeby na miejscu było cokol­wiek słychać. Jednak trwa­ją­ca dwie dzie­sią­te sekundy erupcja energii gra­wi­ta­cyj­nej, przy­ćmi­ła łączną energię świetl­ną i cieplną gwiazd w całym obser­wo­wal­nym wszechświecie.

Z tego chaosu wyło­ni­ła się nowa czarna dziura o masie 62 M☉.

29 + 36 = 65, a nie 62.

Stąd ta nie­wia­ry­god­na energia. Podczas kul­mi­na­cji masa rzędu trzech Słońc roz­pły­nę­ła się w prze­strze­ni, głównie pod posta­cią fal gra­wi­ta­cyj­nych. Te okazały się na tyle silne, że zdołały przebyć drogę 1,3 miliar­da lat świetl­nych (12 tysięcy razy więcej niż śred­ni­ca naszej galak­ty­ki), zanim zamel­do­wa­ły się na wykre­sach ziem­skich inter­fe­ro­me­trów. Roz­ma­wia­my o sygnale, który miał swoje źródło w odle­głej galak­ty­ce, w zupeł­nie innej części wszech­świa­ta. Kiedy zaczy­nał swoją wędrów­kę, na Ziemi trwał głęboki pro­te­ro­zo­ik, a w oce­anach dopiero rodziły się pierw­sze orga­ni­zmy wielokomórkowe.

W momen­cie dotar­cia do Drogi Mlecz­nej gra­wi­ta­cyj­ny “grzmot” był już tylko cichym echem. Po poko­na­niu 1,3 miliar­da lat świetl­nych fala zdołała na ćwierć sekundy skur­czyć ramiona inter­fe­ro­me­trów w Living­ston i Han­for­dzie o około 10^-18 m.

Epokowe odkry­cie doko­na­ło się w abso­lut­nej ciszy. Nikt nie czuwał przy apa­ra­tu­rze, ponie­waż w obu pla­ców­kach zegary wska­zy­wa­ły odpo­wied­nio 4:50 i 2:50 nad ranem. Jednak w ana­li­zie danych z pro­jek­tu brało udział wiele insty­tu­cji z różnych zakąt­ków świata. Szczę­śliw­cem, który jako pierw­szy wypa­trzył na wykre­sie coś nie­zwy­kłe­go był podobno Marco Drago – dok­to­rant z Insty­tu­tu Maxa Plancka w Hanowerze.

Kiedy Drago zauwa­żył sygnał zaczął obdzwa­niać kolegów, pytając czy Ame­ry­ka­nie nie pla­no­wa­li na ten dzień jakichś testów. Miał prawo tak pomy­śleć, ponie­waż detek­to­ry nawet nie znaj­do­wa­ły się w pełnym trybie ope­ra­cyj­nym! W końcu udało się skon­tak­to­wać z Living­ston i uzy­ska­no ofi­cjal­ne potwier­dze­nie: nikt w środku nocy nie maj­stro­wał przy sprzę­cie, więc wszyst­kie odczyty powinny być w pełni naturalne.

Zapa­no­wa­ła eks­cy­ta­cja. Nie dość, że sygnał upo­lo­wa­no przed roz­po­czę­ciem wła­ści­we­go cyklu obser­wa­cyj­ne­go, to jeszcze okazał się on sil­niej­szy i czyst­szy niż kto­kol­wiek oczekiwał.

Mimo to, szam­pa­ny czekały na odkor­ko­wa­nie jeszcze przez długie pięć mie­się­cy. Naj­pierw fizycy musieli się upewnić, że sygnał nie jest rezul­ta­tem żadnego żartu, błędu, pomyłki, awarii, ani zwa­rio­wa­ne­go zbiegu oko­licz­no­ści. Porów­na­li uzy­ska­ne dane z mode­la­mi teo­re­tycz­ny­mi. Doko­na­li grun­tow­ne­go prze­glą­du każdego urzą­dze­nia i opro­gra­mo­wa­nia. Spraw­dzi­li też, czy w tym samym czasie gdzieś na świecie nie wyda­rzy­ło się cokol­wiek, co mogło wyge­ne­ro­wać podobny wykres.

Ale naj­waż­niej­sze było to, że sygnał został zare­je­stro­wa­ny przez dwa cał­ko­wi­cie nie­za­leż­ne detek­to­ry, z różnicą czasu dokład­nie odpo­wia­da­ją­cą pręd­ko­ści światła. Ewen­tu­al­na pomyłka obu inter­fe­ro­me­trów była skraj­nie nieprawdopodobna.

Wresz­cie 11 lutego 2016 roku na kon­fe­ren­cji pra­so­wej w Waszyng­to­nie dyrek­tor wyko­naw­czy LIGO, David Reitze, powie­dział zdanie, które obiegło cały naukowy świat: “Ladies and Gen­tle­men… We… have detec­ted gra­vi­ta­tio­nal waves! We did it!”

Nawet jeżeli ktoś miał w tamtym momen­cie jeszcze jakie­kol­wiek wąt­pli­wo­ści, musiał się ich wyzbyć dwa lata później. W sierp­niu 2017 roku zare­je­stro­wa­no sygnał GW170817. Był on szcze­gól­ny, ponie­waż zda­rze­nie astro­no­micz­ne, od którego pocho­dził, tym razem było rów­no­le­gle zaob­ser­wo­wa­ne również przez tele­sko­py pro­mie­nio­wa­nia gamma. Po raz pierw­szy w dzie­jach astro­no­mo­wie mieli okazję zare­je­stro­wać kolizję gwiazd neu­tro­no­wych na dwa zupeł­nie różne sposoby: oglą­da­jąc towa­rzy­szą­cy jej błysk i prze­chwy­tu­jąc pocho­dzą­cą stamtąd zmarszcz­kę w czasoprzestrzeni.

Do dzisiaj projekt LIGO wraz z euro­pej­skim Virgo wykryły ponad 90 potwier­dzo­nych fal gra­wi­ta­cyj­nych oraz kolejne setki cze­ka­ją­cych na analizę. To dopiero skromne począt­ki, ale nie ma wąt­pli­wo­ści, że zyska­li­śmy kolejne potężne narzę­dzie, pozwa­la­ją­ce zajrzeć tam, gdzie nie sięgnie żaden teleskop.

To napraw­dę dobry czas na bycie astronomem.

A TAK W OGÓLE TO… Jednym z pio­nie­rów badań teo­re­tycz­nych nad falami gra­wi­ta­cyj­ny­mi był polski fizyk, Andrzej Traut­man. Nauko­wiec z UW szukał ana­lo­gii między dzia­ła­niem pola gra­wi­ta­cyj­ne­go i pola elek­tro­ma­gne­tycz­ne­go, co pomogło mu spo­rzą­dzić mate­ma­tycz­ny model wypro­mie­nio­wy­wa­nia energii z układu przez emisję fal gra­wi­ta­cyj­nych. Inno­wa­cyj­ne spo­strze­że­nia zawarł w swoim dok­to­ra­cie oraz dwóch arty­ku­łach z 1958 roku. To otwo­rzy­ło młodemu Traut­ma­no­wi prze­pust­kę do świa­to­wej fizyki i współ­pra­cy z uczo­ny­mi z naj­więk­szych pla­có­wek na świecie.