Włączając kosmiczny mikrofon Understand article
Tłumaczenie: Anna Pancerz. Nowe narzędzie pozwala astronomom po raz pierwszy “usłyszeć” wszechświat.
Grant / Flickr i ESA / C Carreau
Poranek 14 września 2015. Sygnał z dwóch czarnych dziur, które zderzyły się 1,3 miliarda lat temu, dotarł na Ziemię, zwracając uwagę naukowców na całym świecie. „Sprawdzenie czy nie jest to fałszywy alarm zajęło nam dobrą część dnia”, mówi profesor Gabriela González. Było to pierwsze wykrycie fali grawitacyjnej i najnowsze odkrycie w długiej historii astronomii.
Gdy Galileusz wprowadził teleskop w XVII w., można było dzięki niemu ujrzeć części Wszechświata, które są niewidzialne dla gołego oka. Doprowadziło to do postępu nauki – wraz z ulepszaniem teleskopów, odkrywano nowe planety, galaktyki, a nawet najwcześniejsze części Wszechświata. W 2015 r. naukowcy zyskali kolejne cenne narzędzie: możliwość “słuchania” kosmosu z wykorzystaniem fal grawitacyjnych.
Zmarszczki w czasoprzestrzeni
Newton określił grawitację jako siłę. Myśląc w ten sposób można wyjaśnić większość zjawisk zachodzących na Ziemi. Na przykład, siła grawitacji sprawia, że jabłko spada na niczego nie spodziewającą się osobę, która siedzi pod drzewem. Jednak aby zrozumieć grawitację w skali kosmosu, musimy przejść do Einsteina, który opisał grawitację jako zagięcie w czasoprzestrzeni.
Niektórzy fizycy obrazują ten proces używając kuli do kręgli i koca. Wyobraźmy sobie, że czasoprzestrzeń to koc. Kula do kręgli położona na środku koca powoduje zagięcie materiału dookoła danego miejsca. Im cięższy jest obiekt, tym bardziej opada materiał. Wraz z ruchem kuli po materiale, możemy dostrzec zagięcia, zmarszczki, podobnie jak gdy łódź płynie po wodzie.
Zdjęcie dzięki uprzejmości NASA / C Henze
“Krzywizna sprawia, że Ziemia krąży wokół Słońca – Słońce to kula do kręgli na materiale i zmarszczki w tym materiale powodują obroty Ziemi”, wyjaśnia González, rzecznik przedsięwzięcia LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, które zajmuje się obserwowaniem i próbą lokalizacji źródeł fal grawitacyjnych, powodujących zmarszczki w czasoprzestrzeni).
Wszystko co ma masę – planety, gwiazdy i ludzie – jest ściągane przez strukturę czasoprzestrzeni i produkuje fale grawitacyjne gdy porusza się przez przestrzeń kosmiczną. Fale te mijają nas cały czas, ale są zbyt słabe aby je wykryć.
Aby odnaleźć te nieuchwytne sygnały, fizycy utworzyli LIGO, bliźniacze obserwatoria w Luizjanie i Waszyngtonie. W każdym detektorze w kształcie litery L, wiązka lasera jest dzielona i przesyłana do dwóch 4-kilometrowych ramion. Wiązki odbijają się od luster na każdym z końców i wracają z powrotem, łącząc się w jedno. Lecąca fala grawitacyjna delikatnie zmienia trasę wiązki lasera, tworząc zmianę, którą fizycy mogą wykryć.
W odróżnieniu od teleskopów, które skierowane są na konkretne części nieba, detektory takie jak LIGO, skanują dużo większy obszar wszechświata i odbierają źródła z wszystkich kierunków. „Detektory fal grawitacyjnych są podobne do mikrofonów”, mówi Laura Nuttall, prowadząca badania podoktoranckie na Uniwersytecie Syracuse, USA.
Pierwsze zauważone fale
W ten wrześniowy poranek 2015 r., kiedy pierwsze fale grawitacyjne przeszły przez 2 detektory, LIGO wciąż przygotowywał się do próby. Naukowcy przeprowadzali jeszcze testy i diagnostykę – dlatego musieli wiele razy sprawdzać, czy sygnał na pewno był prawdziwy.
Kilka miesięcy później, gdy naukowcy dokładnie sprawdzili dane pod kątem błędów i hałasu (na przykład burze czy trzęsienia ziemi), LIGO oznajmiło światu, że w końcu osiągnęli swój cel: odkryli fale grawitacyjne prawie 100 lat po tym, jak Einstein przewidział ich istnienie.
Kilka miesięcy po tym jak odebrano pierwszy sygnał, LIGO wykryło kolejną kolizję czarnych dziur. “Znalezienie kolejnego zjawiska dowodzi, że istnieje szereg źródeł, które produkują możliwe do wykrycia fale grawitacyjne”, mówi Nuttal. „Tak właściwie to teraz jesteśmy obserwatorium”.
Zdjęcie dzięki uprzejmości LIGO/Penn State; źródło: Flickr
Kosmiczne mikrofony
Wielu odczytuje to odkrycie jako początek ery astronomii fal grawitacyjnych. Naukowcy spodziewają się zobaczyć setki, może nawet tysiące czarnych dziur na przestrzeni następnych lat. Detektory fal grawitacyjnych pozwolą astronomom bliżej spojrzeć na inne zjawiska astronomiczne, takie jak gwiazdy neutronowe, supernowe, a nawet Wielki Wybuch.
Kolejnym ważnym krokiem jest odkrycie ich optycznych odpowiedników źródeł fal grawitacyjnych – światła z otaczającej materii lub rozbłyski gamma. Aby to zrobić, astronomowie muszą skierować teleskopy na stronę nieba, skąd pochodzą fale grawitacyjne.
Obecnie, wyczyn ten jest jak szukanie igły w stogu siana. Z powodu tego, że pole widoczności detektorów fal grawitacyjnych jest dużo większe niż teleskopów, bardzo trudno jest połączyć te oba urządzenia. „Łączenie fal grawitacyjnych i światła po raz pierwszy będzie ważnym odkryciem, które z pewnością warte jest zachodu”, mówi Edo Berger profesor astronomii z Uniwersytetu Harward.
LIGO jest tylko jednym z kilku obserwatoriów fal grawitacyjnych. Inne obserwatoria, takie jak Virgo we Włoszech, KAGRA w Japonii i przyszłe LIGO w Indiach, mają czułość podobną do LIGO. Istnieją również inne metody wykorzystywane, i planowane do wykorzystania, do wykrywanie fal grawitacyjnych na zupełnie innych częstotliwościach.
Zdjęcie dzięki uprzejmości Penn State; źródło: Flickr
Na przykład rozwinięty laser eLISA to detektor, który naukowcy próbują wybudować w kosmosie. Gdy będzie gotowy, eLISA będzie składać się z trzech statków kosmicznych oddalonych od siebie o miliony kilometrów. Będą one czułe na dużo niższe częstotliwości, w których naukowcy spodziewają się wykryć ogromne czarne dziury.
Inną metodą jest metoda PTA, która wykorzystuje pulsary – naturalne odmierzacze czasu, które regularnie emitują wiązki elektromagnetycznego promieniowania. Astronomowie dokładnie mierzą czas dotarcia impulsów w celu wykrycia rozbieżności, ponieważ kiedy fala grawitacyjna się przemieszcza, czasoprzestrzeń wykrzywia się zmieniając dystans pomiędzy nami a pulsarem i dlatego impulsy docierają albo trochę później, albo trochę wcześniej. Ta metoda jest wyczulona nawet na niższe częstotliwości niż mogą być wykryte przez urządzenie eLISA.
To i inne obserwatoria ujawnią nowe spojrzenie na wszechświat pomagając naukowcom badać zjawiska takie jak fuzje czarnych dziur, testować teorie grawitacji, a może nawet odkryć coś zupełnie nieoczekiwanego, mówi Daniel Holz, profesor fizyki i astronomii na Uniwersytecie Chicago. „Zazwyczaj nauka polega na delikatnym przesuwaniu granic, ale w tym wypadku przekraczamy zupełnie nową granicę”.
Podziękowania
Ten artykuł został odtworzony za pozwoleniem magazynu Symmetryw1 w oryginalnym formacie.
Web References
- w1 – Symmetry magazine – to bezpłatna publikacja internetowa zajmująca się fizyką cząstek elementarnych. Jest wydawana przez Fermi National Accelerator Laboratory i SLAC National Accelerator Laboratory, USA.
Review
Dobra wiadomość – po latach poszukiwań fal grawitacyjnych, naukowcom w końcu udało się je wykryć. Artykuł ten spodoba się fizykom i nauczycielom przyrody. Może być używany jako platforma do dyskusji w klasie skupiającej się głównie na problemach związanych z wykrywaniem fal grawitacyjnych, ale co ważniejsze, na zastosowaniu ich w życiu codziennym.
Paul Xuereb, Malta