Typologia fal grawitacyjnych Understand article

Author(s): Nicolas Arnaud

Tłumaczenie Ewa Stokłosa. Istnienie fal grawitacyjnych zostało przewidziane przez Einsteina. Skąd pochodzą i jakie ich rodzaje obserwujemy w kosmosie?

Skala fal grawitacyjnych jest jednocześnie maleńka i ogromna. Choć zaburzenia, które mogą one spowodować są tak nieznaczne, że niemalże niewykrywalne, ich długości mogą być ogromne: o wiele dłuższe niż lepiej nam znane fale elektromagnetyczne – od radiowych po fale rentgenowskie – z pomocą których astronomowie obserwują kosmos.

Czym więc są fale grawitacyjne? To zmarszczki czasoprzestrzeni wytwarzane przez przyspieszającą masą. Fale grawitacyjne pochodzące ze źródeł ziemskich prawdopodobnie nigdy nie zostaną wykryte, ponieważ obiekty ziemskie nie mają na tyle dużej masy lub przyspieszenia. Jesteśmy więc zmuszeni spoglądać w kosmos w poszukiwaniu źródeł tego sygnału, bo tam masa i ruch mają skalę astronomiczną.

Wykrywanie fal grawitacyjnych wytworzonych przez masywne obiekty kosmiczne w ostatnim czasie stało się w końcu po wielu latach możliwe, więc mogą one być potencjalnie wykorzystywane jako dodatkowe narzędzie do obserwacji zjawisk i obiektów w kosmosie – co stało się ekscytującą perspektywą dla astronomów.

Ilustracja ukazująca satelitę LISA będącego częścią planowanego systemu wykrywania fal grawitacyjnych, który ma znajdować się w kosmosie.
AEI/MM/exozet

Spektrum grawitacyjne

Tak jak fale elektromagnetyczne, fale grawitacyjne poruszają się z prędkością światła. I tak jak w przypadku spektrum elektromagnetycznego, spektrum fal grawitacyjnych jest niezwykle szerokie, a jego poszczególne części klasyfikowane są pod względem częstotliwości. Ogólne rzecz biorąc częstotliwości fal grawitacyjnych są znacznie niższe niż fal elektromagnetycznych (najwyżej kilka tysięcy herców, w porównaniu z 1016 do 1019 Hz dla promieniowania X). W związku z tym fale grawitacyjne są znacznie dłuższe – mogą mieć setki kilometrów, a potencjalnie osiągać rozpiętość Wszechświata.

Zakres częstotliwości sygnału fali grawitacyjnej dostarcza informacji o jej źródle: im niższa częstotliwość tym większa związana z nią masa. Dzięki temu naukowcy wiedzą również jakiego rodzaju detektora użyć w poszukiwaniu źródła, gdyż jego wielkość powinna być porównywalna z długością fali sygnału. Ilustracja 1. pokazuje całkowity zakres fal grawitacyjnych wraz z ich źródłami oraz urządzeniami potrzebnymi do ich wykrywania na różnych częstotliwościach.

Ogromne interferometry naziemne, takie jak Laserowe Obserwatorium Interferometryczne Fal Grawitacyjnych (ang. Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory, LIGO) czy Virgo (opisany przez Arnaud, 2017) zaprojektowane są do wykrywania fal grawitacyjnych o najwyższych częstotliwościach, od kilkudziesięciu herców do kilku kiloherców. Co więcej, projekt LISAw1 (Laserowa Interferometryczna Antena Kosmiczna, ang. Laser Interferometer Space Antenna) – sieć kosmicznych interferometrów – ma rozpocząć pracę za około dekadę. Zaprojektowana podobnie do detektorów naziemnych, LISA zajmie się częstotliwościami fal grawitacyjnych niższego zakresu (1–10-5 Hz). Fale grawitacyjne o niskich częstotliwościach wpływają na precyzyjną regularność błysków fal elektromagnetycznych odbieranych od pulsarów, co umożliwia kolejny sposób ich wykrywania, tym razem w granicach 10-6–10-9 Hz. Fale grawitacyjne wyemitowane we wczesnym Wszechświecie mogły również pozostawić niewielki ślad w kosmicznym promieniowaniu tła. Sygnału tego poszukuje się na przykład przy pomocy satelity Planck w postaci fal grawitacyjnych o częstotliwości wahającej się pomiędzy 10-15 a 10-17 Hz. Długości fali związane z tymi niezwykle niskimi częstotliwościami osiągnęłyby skalę samego Wszechświata.

Ilustracja 1: Spektrum fal grawitacyjnych. Oś pozioma wyznacza częstotliwość (i okres fali, czyli odwrotność częstotliwości) na skali logarytmicznej, na której kolory odpowiadają długościom fal (czerwony=dłuższe, niebieski=krótsze). Pokazane detektory już istnieją bądź ich budowa jest planowana, a źródła to te, o których istnieniu wiemy i spodziewamy się po nich wytwarzania wykrywalnych fal grawitacyjnych. Kliknij aby powiększyć. (Oparte na https://lisa.nasa.gov)

Źródła fal grawitacyjnych

Spośród różnorodnych źródeł fal grawitacyjnych przyjrzymy się trzem, które wytwarzają fale o częstotliwościach w zakresie dostępnym dla naziemnych detektorów.

Supernowe

Gdy ogromnej, czerwonej gwieździe skończy się paliwo jądrowe, równowaga pomiędzy reakcjami nuklearnymi (które rozpychają materię) i grawitacją (która ściąga materię) zanika. Gwiazda zapada się aż osiągnie gęstość materii jądrowej (ok. 1017 kg/m3), co prowadzi do powstania fali uderzeniowej odrzucającej zewnętrzne warstwy gwiazdy. Zjawisko to, zwane supernową typu II, powoduje silny wyrzut neutrin oraz emisję światła trwającą nawet wiele dni. Powstaje również fala grawitacyjna, jednak byłaby ona wykrywalna tylko wówczas, gdyby wybuch supernowej miał miejsce w naszej Galaktyce lub jej najbliższym otoczeniu. Zdarzenia takie są bardzo rzadkie (kilka na sto lat); ostatnie zostało zaobserwowane 30 lat temu jako supernowa 1987A.

Ciasne układy podwójne

Masa tzw. obiektów kompaktowych koncentruje się w niezwykle małej objętości. Najbardziej kompaktowe są czarne dziury: czarna dziura o masie Słońca miałaby średnicę zaledwie 3 km. Gwiazdy neutronowe to kolejny rodzaj obiektów kompaktowych: grawitacja kurczy je tak bardzo, że protony i elektrony łączą się, w wyniku czego powstają neutrony.

Teoria względności przewiduje, że gdy dwa obiekty kompaktowe krążą wokół siebie (tworząc tzw. ciasny układ podwójny), to układ ten z wolna traci energię poprzez uwalnianie fal grawitacyjnych. Prowadzi to do przyspieszenia ruchu obiektów i zbliżenia się one do siebie. Choć taki spiralny ruch przybliżający trwać może setki milionów lat, to w jego końcowych momentach, zanim dwa obiekty połączą się w jeden, zaobserwować można wzmożoną emisję fal grawitacyjnych. Fale grawitacyjne będące następstwem takiego wydarzenia zostały po raz pierwszy z powodzeniem wykryte w 2015 roku.

Ilustracja ukazuje (poniżej) ślady pierwszej detekcji fal grawitacyjnych przez dwa obserwatoria LIGO. Ślady te pokryły się z postępującym łączeniem się czarnych dziur, co wywołało fale grawitacyjne w trzech etapach (ilustracje górne): 1- spiralny ruch przybliżający (ang. spiralling in), 2 – złączenie (ang. merger, 3 – oscylacja (ang. ringdown), po czym nastąpiło zakończenie emisji fal grawitacyjnych.
LIGO, NSF, Aurore Simonnet (Sonoma State U.)

Pulsary

Pulsary to obracające się gwiazdy neutronowe z polem magnetycznym. Niczym kosmiczne latarnie emitują one promieniowanie elektromagnetyczne o częstotliwości dwa razy większej niż częstotliwość obrotu pulsara, a jeśli Ziemia znajduje się w zasięgu tego promieniowania to jest ono wykrywalne przez radioteleskopy. Teoretycznie pulsary powinny również nieustannie emitować fale grawitacyjne, jednak siła tych fal zależałaby od kształtu gwiazdy i tego, na ile jest sferyczna – dlatego, że przypuszcza się, iż obiekty idealnie symetryczne wzdłuż swojej osi (czyli na przykład sfery) wcale fal grawitacyjnych nie emitują. Pulsary, tak jak inne gwiazdy, często mają niemal idealnie sferyczny kształt, więc skoro nie wykryto jeszcze fal grawitacyjnych pochodzących od pulsarów to można przypuszczać, że nieregularności na ich powierzchni są bardzo niewielkie.

Detekcja fal grawitacyjnych

DWykrywanie fal grawitacyjnych to niełatwe zadanie: oznacza wyszukiwanie maleńkich wibracji sygnalizujących przejście fali grawitacyjnej całkowicie zatopionej w „szumie” – wibracjach z innych źródeł. Sieć znajdujących się na Ziemi detektorów typu interferometr składa się obecnie z czterech instrumentów: dwóch detektorów LIGO w USA, Virgo we Włoszech oraz GEO-600 w Niemczech. Piąty detektor (KAGRA w Japonii) rozpocznie pracę pod koniec tej dekady. Istnieją również plany wybudowania trzeciego detektora LIGO w Indiach w ciągu najbliższej dekady.

Pojedynczy detektor nie może sam wykryć fali grawitacyjnej: musi ona zostać odkryta przez przynajmniej dwa detektory, gdyż w innym przypadku częstotliwość fałszywych alarmów – pomyłkowych detekcji wynikających z szumu – byłaby zbyt wysoka. Z tego powodu wszystkie dane zapisane przez sieć są równolegle analizowane w poszukiwaniu sygnałów pokrywających się w czasie i wyglądających podobnie na każdym z instrumentów.

Ilustracja 2: Pierwsze trzy wykrycia fal grawitacyjnych (od góry) 14 września 2015 roku, 26 grudnia 2015 roku i 4 stycznia 2017 roku, powstałych w wyniku łączenia się czarnych dziur. Jak pokazują ślady, każdy z sygnałów stopniowo rósł i szybko znikł, gdy doszło do połączenia. Oś pozioma wskazuje moment, w którym sygnał został po raz pierwszy zaobserwowany przez detektor, a trzy osie pionowe to maleńkie zaburzenia, które zanotowano.
The LIGO Scientific Collaboration and the Virgo Collaboration
 

Detekcja fal grawitacyjnych w roku 2015 (zob. Kwon, 2017) oraz 2017w2, powstałych w wyniku zderzenia dwóch czarnych dziur (zob. ilustracja 2) otworzyła nam nowe okno na Wszechświat, jak również rozpoczęły nową erę w astronomii. Sygnały fal grawitacyjnych uzupełniły metody wykorzystywane przez naukowców do obserwacji kosmosu, w tym teleskopowe obserwacje nieba w różnych zakresach spektrum elektromagnetycznego. Informacje wymieniane są w obie strony: gdy pojawia się sygnał będący potencjalną falą grawitacyjną, teleskopy otrzymują odpowiednią informację i dzięki temu mogą szybko rozpocząć obserwację obszaru ze źródłem sygnału – jeśli jest on prawdziwy. Natomiast teleskopy mogą otrzymać wsparcie od detektorów fal grawitacyjnych, które poszukują swoich odpowiedników wykrytego przez teleskopy zjawiska.

Detekcja fal elektromagnetycznych, cząstek oraz fal grawitacyjnych z tego samego źródła jest obecnie realną możliwością. Im więcej danych uzyskamy z danego źródła, tym lepiej je zrozumiemy.

References

Web References

  • w1 – Dowiedz się więcej o  projekcie LISA.
  • w2 – Na  stronie LIGO przeczytasz podsumowanie trzeciego wykrycia fal grawitacyjnych..

Resources

  • Dowiedz się więcej o najnowszym, trzecim wykryciu fal grawitacyjnych:
    • Symmetry, czasopismo tworzone przez Fermilab/SLAC, opublikowało kilka artykułów o falach grawitacyjnych. Poszukaj ich na stronie www.symmetrymagazine.org, lub przeczytaj poniższy artykuł:
    • Jepsen K (2017) At LIGO, three’s a trend. Symmetry magazine, 6 Jan.
  • Przeczytaj o tym, jak astronomowie wykorzystują różne fale elektromagnetyczne do badania kosmosu w serii „Niewidoczne dla oka” w Science in School. Na przykład:

Author(s)

Nicolas Arnaud jest fizykiem w Narodowym Centrum Badań Naukowych (Centre National de la Recherche Scientifique, CNRS) we Francji. Po obronieniu pracy doktorskiej dotyczącej eksperymentu Virgo podczas jego fazy konstrukcyjnej, przez dziesięć lat zajmował się fizyką cząstek, po czym ponownie dołączył do projektu Virgo w 2014 roku. Od września 2016 roku pracuje Europejskim Obserwatorium Grawitacyjnym we Włoszech, gdzie zajmuje się detektorem Virgo. Od 2003 angażuje się w różnorakie przedsięwzięcia edukacyjne i popularyzujące naukę, a część z nich koordynuje na poziomie narodowym.

Review

Po niedawnym, ekscytującym odkryciu trzeciej fali grawitacyjnej, niniejszy artykuł stanowi wspaniały przegląd tego zjawiska, poruszając kwestie generowania fal grawitacyjnych w kosmosie oraz działania wykrywających je detektorów. Jest to ciekawy i aktualny artykuł, napisany w momencie dużego zainteresowania tym tematem.

Przykłady pytań sprawdzających zrozumienie tematu:

  • Czym są fale grawitacyjne?
  • Dlaczego tak trudno je wykryć?
  • Jak działają detektory fal grawitacyjnych?
  • Opisz spektrum grawitacyjne i zastanów się w jaki sposób różni się ono od spektrum elektromagnetycznego.
  • Które obiekty kosmiczne wywołują fale grawitacyjne? Opisz te obiekty.
  • Aby wykryć falę grawitacyjną, należy użyć przynajmniej dwóch detektorów. Dlaczego?
  • Na Ziemi jest kilka detektorów. Jak się nazywają i gdzie się znajdują?

Gerd Vogt, nauczyciel fizyki, Higher Secondary School for Environment and Economics, Austria

License

CC-BY

Download

Download this article as a PDF