B. P. Abbott et al.: Odkrycie fal grawitacyjnych (11 lutego 2016)

Grupa uczonych z projektów LIGO i VIRGO poinformowała o pierwszej bezpośredniej obserwacji fal grawitacyjnych. Autorów jest bardzo wielu, dobrze mieć w takiej sytuacji nazwisko z samego początku alfabetu: praca będzie bowiem cytowana tysiące razy jako B.P. Abbott et al. (Pełna lista autorów w artykule.)

Obserwacji dokonały niezależnie od siebie dwa laboratoria LIGO w Stanach Zjednoczonych: w Hanford w stanie Washington oraz w Livingston w stanie Louisiana. Są one odległe o 3000 km, dzięki czemu można coś powiedzieć o kierunku, z którego dobiegł sygnał. Tak wygląda interferometr w Hanford, drugi jest podobny.

lho_aerial_photoW zasadzie urządzenia te są ogromnymi interferometrami Michelsona w kształcie litery L, w których fala świetlna rozdzielana jest na dwie części biegnące w prostopadłych ramionach, na ich końcu obie fale odbijają się i wracają z powrotem do punktu wyjścia. Dzięki interferencji tych powracających fal można bardzo precyzyjnie mierzyć drobne przesunięcia zwierciadeł na końcach litery L.

large (1)
W rzeczywistości światło biegnie wielokrotnie wzdłuż każdego z ramion, powiększając tę odległość 4 km trzysta razy. Wykres przedstawia czułość obu detektorów, mierzoną wielkością jest odkształcenie \Delta L/L. Widzimy, jak niewiarygodnie mała jest ta wielkość: właśnie dlatego fale grawitacyjne wykryto dopiero teraz, po dziesiątkach lat ulepszania aparatury. Przy tak wielkiej precyzji problemem są wszelkie wstrząsy, sztuka ich unikania oraz odfiltrowywania z danych została rozwinięta do perfekcji: dlatego też praca zamieszczona wczoraj w „Physical Review Letters” ma tak wielu autorów (reprezentują oni ponad setkę instytucji naukowych).

Co właściwie odkryto? Otóż 14 września 2015 roku o godzinie 9:50:45 czasu Greenwich detektory zarejestrowały następujące odkształcenia:

large (2)

U góry są zarejestrowane w dwóch ośrodkach odkształcenia (jednostka wynosi 10^{-21}!). Na prawym wykresie zostały one nałożone na siebie po przesunięciu w czasie. Oba detektory zakołysały się nieznacznie: trochę tak, jak kołysze się łódka, gdy dotrze do niej fala wywołana przepływającym statkiem. Mamy w istocie dwie łódki (detektory), więc fala dociera do nich niejednocześnie, ale wciąż jest to ta sama fala. Pod wynikami eksperymentów jest ich rekonstrukcja metodami numerycznymi, o czym za chwilę. „Wodą” w tych eksperymentach jest sama przestrzeń. Ogólna teoria względności opisuje czasoprzestrzeń jako pewien dynamiczny ośrodek, nie ma w nim sił grawitacji, są tylko odkształcenia czasoprzestrzeni. Fale grawitacyjne są takim szczególnym odkształceniem, które może przenosić energię i rozchodzić się podobnie do fal elektromagnetycznych. Fale te mogą mieć dwie polaryzacje + oraz x, oznaczenia są dość oczywiste, gdy popatrzymy na rysunki. Przedstawiają one, jak deformowałby się pierścień mas punktowych pod wpływem przechodzącej fali grawitacyjnej (fala biegnie prostopadle do płaszczyzny rysunku, fale grawitacyjne są poprzeczne).

GravitationalWave_PlusPolarizationGravitationalWave_CrossPolarization

https://en.wikipedia.org/wiki/Gravitational_wave

Widzimy więc, że detektory będą najwrażliwsze na fale biegnące prostopadle do płaszczyzny L. Odległości mas w detektorach nieznacznie się zmieniły, z przyczyn technicznych nie mamy pierścienia koralików a tylko dwa prostopadłe odcinki.

Z jednej strony wykrycie fal grawitacyjnych jest ogromnym sukcesem technik doświadczalnych, przez pół wieku wielu ludzi pracowało nad ich doskonaleniem, aż do tego pierwszego pomiaru, niewątpliwie wkrótce nastąpią następne. Ale jest i druga strona tej historii: postęp w rozumieniu teorii Einsteina. Niecałe sto lat temu, 22 czerwca 1916 roku, przedstawił on pierwszą pracę na ten temat w Pruskiej Akademii Nauk. Dwa lata później, poprawił pewne błędy w tej pracy i obliczył szybkość tracenia energii związaną z promieniowaniem fal grawitacyjnych. Nikt wówczas nawet nie myślał o wykryciu takich fal, nie było nawet pewności, czy wnioski Einsteina są prawdziwe, on sam zakwestionował je w latach trzydziestych, choć później się z tego wycofał. Przedmiot wzbudzał jednak pewne kontrowersje. Już po śmierci Einsteina wyjaśniono kwestię istnienia czarnych dziur. Rozwinęły się też numeryczne metody pozwalające badać, co dzieje się z takimi obiektami, gdy zbliżą się zanadto do siebie (zbliżają się, ponieważ wypromieniowują fale grawitacyjne). Powstaje wówczas jedna duża czarna dziura. Właśnie takie zjawisko zostało zaobserwowane przez uczonych z LIGO.

large

Dopiero nałożenie precyzyjnych symulacji numerycznych na obserwowane dane pozwala zrozumieć, co zaobserwowano. Były to ostatnie chwile przez złączeniem się dwóch dużych czarnych dziur w jedną większą. Ich masy wynosiły 36 i 29 mas Słońca, po połączeniu masa czarnej dziury równa jest 62 mas Słońca. Energia wypromieniowana w postaci fal grawitacyjnych szacowana jest na około 3 masy Słońca (E=mc^2). Zjawisko to zaszło bardzo daleko od nas, ponad miliard lat świetlnych, było jednak tak gwałtowne, że można je było zaobserwować na Ziemi. Ponieważ rozwinięte zostały zarówno metody eksperymentalne, jak i sztuka numerycznych symulacji, możemy być pewni, że niebawem badania takie staną się rutynowym narzędziem astrofizyków. Einstein zasłużył na kolejną Nagrodę Nobla, podobnie jak ludzie, którzy rozwijali te projekty, niewątpliwie posypią się za to odkrycie nagrody. Można ubolewać, że zapewne otrzymają je głównie szefowie projektów, ale każdy z autorów wczorajszej pracy będzie miał co opowiadać wnukom.

Projekty takie jak LIGO są kosztowne, słysząc o tym, wielu ludzi niezwiązanych z nauką zadaje pytanie o cel i sens takich wydatków. Co nam przyjdzie z wiedzy o czarnych dziurach odległych o miliard lat świetlnych? Wbrew pozorom nauka podstawowa ma aspekty praktyczne: w projektach tego rodzaju ludzkość ćwiczy rozmaite możliwości. Kamery CCD najpierw miały zastosowania w astronomii, zanim trafiły do popularnych aparatów cyfrowych, magnetyczny rezonans jądrowy czy pozytonowa tomografia emisyjna pozwalają zdiagnozować choroby i ratują ludzkie życie itd. itp. Trudne eksperymenty naukowe poszerzają granice tego, co w ogóle jest możliwe technicznie. Dla mnie badania takie mają też inny, może nawet ważniejszy aspekt. Wyraził to trafnie amerykański fizyk Robert R. Wilson, który jako młody człowiek pracował w Projekcie Manhattan, a w latach sześćdziesiątych zabiegał o zbudowanie akceleratora w słynnym potem ośrodku Fermilab. W roku 1969 Wilson przepytywany był przed komisją Kongresu na temat celowości budowy dużego akceleratora cząstek. Senator John Pastore zapytał go, czy akcelerator taki wzmocni bezpieczeństwo kraju. Usłyszał, że nie. Po kilku następnych pytaniach idących w tym samym kierunku, Robert Wilson stwierdził, że projekt nie ma wprawdzie bezpośredniego wpływu na obronność kraju, przyczynia się jednak do tego, iż warto jest go bronić. 

 Dane pochodzą z pracy: B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration), Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger, Phys. Rev. Lett. 116, 061102 – Published 11 February 2016

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Log Out / Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Log Out / Zmień )

Facebook photo

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Log Out / Zmień )

Google+ photo

Komentujesz korzystając z konta Google+. Log Out / Zmień )

Connecting to %s