Fale grawitacyjne.

W dniu dzisiejszym, zespół naukowców pracujących przy eksperymencie LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory – czyli Laserowe Obserwatorium Interferometryczne Fal Grawitacyjnych) ogłosił oficjalnie odkrycie fal grawitacyjnych przewidzianych 100 lat temu przez Alberta Einsteina w jego Ogólnej Teorii Względności. Odkrycie to podobnie jak wcześniejsze odkrycie bozonu Higgsa jest niewątpliwie kamieniem milowym współczesnej fizyki i pomoże naukowcom zbliżyć się do zjawisk obecnych podczas Wielkiego Wybuchu. Co więcej, może przyczynić się do bliższego poznania grawitacji albowiem obecnie nasza wiedza na jej temat choć znaczna nie jest pełna. Do pełnego obrazu brakuje odkrycie kolejnego bozonu przenoszącego oddziaływania - grawitonu, a co się z tym wiąże pola grawitonowego, którego wynikiem jest istnienie grawitacji. Być może uda się na też wyjaśnić czemu grawitacja jako jedno z czterech podstawowych oddziaływań jest tak słabe (10^-44 - raza słabsze niż oddziaływanie elektromagnetyczne).

Co to jest fala grawitacyjna?

 Fala grawitacyjna podobnie jak fale na powierzchni wody, może być uznana za rozchodzące się przestrzeni zaburzenie samej czasoprzestrzeni. Ponieważ grawitacja determinuje geometrię czasoprzestrzeni można istnienie fal grawitacyjnych porównać do tego, że nasza czasoprzestrzeń ma postać trzęsącej się galaretki. Na szczęście amplituda fal grawitacyjnych jest bardzo mała. rzędu 10^-17 - 10^-22 m. Warto tu wspomnieć, że fale grawitacyjne rozchodzą się z prędkością światła. Oznacza to, że gdyby w pewnym momencie nasze Słońce nagle zniknęło to orbita Ziemi uległa by zmianie dopiero po ok. 8 minutach.

Jak wykryć falę grawitacyjną?

 Detekcja fal grawitacyjnych nie jest prosta z racji ich niewielkiego wpływu na otoczenie i bardzo małej energii jaką ze sobą niosą. Podstawową ideą detekcji fal grawitacyjnych jest to, że przechodząc przez ośrodek powodują jego minimalne odkształcenie. Jednak to też jest problem ze względu na bardzo małą amplitudę. Rozwiązaniem tego problemu okazało się zjawisko interferencji światła, które jest bardzo czułe na zmiany geometrii układu pomiarowego. Metodę tą wykorzystano w LIGO.

Jak działa LIGO? 

Eksperyment LIGO jest w istocie rzeczy olbrzymim  interferometrem. Składa się on z dwóch próżniowych rur o długości 4km każda usytuowanych pod kątem prostym i układu luster stanowiących układ interferometru. Źródłem światła jest laser.

Emitowany promień lasera trafia do rozdzielacza (beam-splitter) i zostaje skierowany do dwóch luster (mirror). Ulegając wielokrotnemu odbiciu (100 razy) promień przebywa w sumie 1600km. Wracające promienie spotykają się w rozdzielaczu gdzie ulegają interferencji a następnie do detektora. Układ jest tak skalibrowany, że jeżeli geometria układu nie ulega zmianie to docierający do detektora sygnał wynosi zero (fale się wygaszają). Jeżeli geometria układu (odległości luster od rozdzielacza) ulegnie nawet minimalnej zmianie to w detektorze odbierzemy niezerowy sygnał.

Ponieważ fale grawitacyjne zniekształcają czasoprzestrzeń oznacza to, że zakłócona będzie geometria układu. Detektor zarejestruje sygnał.

Co jest źródłem silnych fal grawitacyjnych? 

Jak już wcześniej wspomniałem są zjawiskiem bardzo subtelnym i trudnym do detekcji. W zasadzie każda poruszająca się masa jest ich źródłem. Ale aby je wykryć energia fal grawitacyjnych musi być duża ażeby  dystorsje geometrii były mierzalne . Co może być źródłem silnych fal grawitacyjnych? Oczywiście muszą to być zjawiska wysokoenergetyczne w skali Kosmosu. Naturalnym  kandydatem są eksplozje supernowych, bliskie układy podwójne pulsarów lub czarnych dziur czy wreszcie zderzenia i łączenie się czarnych dziur. Właśnie dzięki temu ostatniemu zjawisku udało się zarejestrować fale grawitacyjne. Dwie czarne dziury o masach 36 i 20 mas Słońca i średnicy ok. 150km zderzyły się i połączyły wyzwalając część energii w formie fali grawitacyjnej. Miało to miejsce dawno temu gdyż miejsce zdarzenia jest odległe od Ziemi o ok. 410 Mpc. Falę zarejestrowano 14 września 2015 roku. Odchylenie geometrii wyniosło 10^-19m co stanowi 1/10 000 średnicy protonu.

Fakt wykrycia fal grawitacyjnych może być kamieniem milowym dla kosmologii. Obecnie możemy obserwować Wszechświat w wieku 375 000 lat. Poza tę granicę światło nie ma możliwości przeniknięcia. Dzięki falom grawitacyjnym być może będziemy mogli zbadać zjawiska znacznie wcześniejsza, a być może zaobserwować sam Wielki Wybuch.

Wyniki z LIGO (odchylenie statystyczne 5.1 sigma - prawdopodobieństwo pomyłki 1:6 000 000)