Po raz pierwszy zaproponowane przez Alberta Einsteina w 1916 r., ale nie zaobserwowane do 2015 r., fale grawitacyjne są zmarszczkami czasoprzestrzeni. Co mówią nam one o naturze Wszechświata?
Tak, jak statek poruszający się po powierzchni spokojnego morza pozostawia za sobą falę, tak ciała niebieskie we Wszechświecie tworzą fale grawitacyjne. W przypadku tych drugich mamy na myśli kosmiczne kataklizmy – fuzje czarnych dziur, zderzenia gwiazd neutronowych czy wybuchy supernowych.
Einstein wątpił w fale grawitacyjne, ale miał rację
Ponieważ fale grawitacyjne są niezwykle słabe (obserwowane z Ziemi), technologia ich detekcji stała się dostępna dopiero w ostatnich latach. Fale grawitacyjne zmieniają się wraz z odległością od źródła – odbijają się od różnych ciał niebieskich zanim do nas dotrą.
Z naszej perspektywy, fuzje czarnych dziur lub zderzenia gwiazd neutronowych, które wyzwalają fale grawitacyjne, są niewyobrażalnie daleko. Fale sprężają i rozprężają przestrzeń – i wszystko wokół – o tysięczną część średnicy protonu, gdy przechodzą przez Ziemię. To miliardowa część miliardowej części metra. Potrzebujemy zaawansowanej technologii, aby dostrzec te zmiany. To tak, jakby zobaczyć odległość Słońca od najbliższego gwiezdnego sąsiada – Alfa Centauri – oddalonego o 4,367 lat świetlnych zmieniającą się o grubość ludzkiego włosa.
Istnienie fal grawitacyjnych zaproponował po raz pierwszy Albert Einstein w ogólnej teorii względności z 1915 r. Jego sugestia, że grawitacja przemieszcza się falami wydawała się logiczna, gdyż każdy rodzaj światła ze spektrum elektromagnetycznego (od ultrafioletu po zakresu radiowego) przemieszcza się falami. Dlaczego zatem grawitacja nie powinna przemieszczać się tak samo? Einstein wyliczył, że niezwykle gwałtowne wydarzenia kosmiczne powodują, że przestrzeń może zachowywać się jak dzwon. Odróżniało się to od idei niezmiennych pól grawitacyjnych, które są generowane przez dowolne obiekty obdarzone masą, jak gwiazdy czy planety.
Ale przez dekady fizycy nie byli przekonani o istnieniu fal grawitacyjnych, zresztą sam Einstein był co do nich sceptyczny. W 1936 r. wraz z Nathanem Rosenem opublikował pracę zatytułowaną „Do Gravitational Waves Exist?”, która początkowo została odrzucona przez jedno z czasopism z powodu błędu matematycznego.
To właśnie ten błąd sprawił, że autorzy doszli do wniosku, że fale grawitacyjne nie istnieją. Kiedy Einstein poprawił błąd, wniosek pracy stał się odwrotny. Prawie 100 lat później, fale grawitacyjne zostały uchwycone. Aż do śmierci Einstein wątpił w ich istnienie i sugerował, że są one tak słabe, że człowiek nie byłby w stanie ich wykryć za pomocą dostępnych technologii.
Czytaj też: Dlaczego gwiazdy eksplodują?
Czytaj też: Czym jest wiatr słoneczny?
Czytaj też: Czy napęd warp jest możliwy?
Feynman ojcem współczesnych odkryć
Trzeba zauważyć, że Einstein nie był jedynym teoretykiem, który pracował nad falami grawitacyjnymi. Ważny wkład w prace nad tym odkryciem mieli także inni fizycy, m.in. Robert Oppenheimer, sir Roger Penrose, Karl Schwarzschild, Arthur Eddington, Kip Thorne i Richard Feynman. To właśnie ten ostatni w styczniu 1957 r. przekonał wątpiących nie tylko o tym, że fale grawitacyjne istnieją, ale również, że mogą przenosić energię – to tzw. teoria kleistego koralika.
To praca Feynmana utorowała drogę dla dzisiejszych detektorów fal grawitacyjnych, ale i tak minęło kolejne 50 lat do detekcji pierwszych fal grawitacyjnych. To właśnie w 2002 r. stworzono LIGO (Laser Interferometry Gravitational-wave Observatory) podzielone na dwie miejscówki w Stanach Zjednoczonych. W latach 2002-2015 LIGO zostało kilkukrotnie zmodernizowane, aby zyskać czułość pozwalającą na obserwacje.
Pierwsze wykrycie fal grawitacyjnych pochodzących z dwóch łączących się czarnych dziur oddalonych o ok. 1,3 mld lat świetlnych nastąpiło we wrześniu 2015 r. i zostało ogłoszone światu w lutym 2016 r., po miesiącach weryfikacji sygnału, który trwał zaledwie 1/10 sekundy i był zgodny z przewidywaniami Einsteina. Fuzję czarnych dziur namierzono zaraz po tym, jak LIGO włączono do testów inżynierskich.
Einstein przewidział, że fale grawitacyjne mogą poruszać się z prędkością światła. Mierząc różnice w czasie pomiędzy momentem, w którym sygnał fal grawitacyjnych dotarł do dwóch obserwatoriów LIGO – w Hanford w Waszyngtonie i Livingston w Luizjanie oddalonych prawie o 3000 km – naukowcy byli w stanie stwierdzić, że przewidywania Einsteina były całkowicie prawidłowe. Fale grawitacyjne faktycznie rozprzestrzeniają się z prędkością światła.
Grawitacyjna przyszłość fizyki
W 2018 r. do LIGO dołączył europejski detektor Virgo zlokalizowany we Włoszech, co znacznie poprawiło zdolność uczonych do określenia miejsca na niebie, z którego pochodziły fale grawitacyjne. Od tego czasu detektory LIGO/Virgo wykryły ok. 50 fuzji czarnych dziur, a także 8 zderzeń gwiazd neutronowych i 6 kolizji gwiazdy neutronowej z czarną dziurą. Niektóre z nich mogą wynikać z tzw. zakłóceń ziemskich (wibracji spowodowanych ruchem ulicznym czy falami oceanu).
14 stycznia 2020 r. detektor LIGO wykrył także zdarzenie nieznanego pochodzenia, które nie pasuje do żadnych modeli ani przewidywań. Nie wiadomo, co to jest, ale prawdopodobnie rodzaj zjawiska kosmicznego, o którym wcześniej nie mieliśmy pojęcia.
Wkrótce do detektorów LIGO/Virgo dołączy kolejny – japońskie obserwatorium KAGRA. Z kolei w latach 30. obecnego wieku ESA uruchomi LISA, kosmiczny detektor fal grawitacyjnych, który powinien umożliwić wykrywanie sygnałów o niskiej częstotliwości emitowanych przez supermasywne czarne dziury i supernowe.
Einstein zdziwiłby się dzisiaj, że ludzkość stworzyła technologię, którą sam uważał za niemożliwą i dzięki temu obserwuje zjawiska, w które sam powątpiewał.
