Nagroda Nobla za wykrycie fal grawitacyjnych

Dwa lata temu po raz pierwszy w historii wykryto fale grawitacyjne, których istnienie przewidział Albert Einstein na początku ubiegłego wieku. Ich źródłem było zderzenie dwóch czarnych dziur, zaś fale potrzebowały ponad 1,3 mld lat, by dotrzeć do detektora LIGO w Stanach Zjednoczonych. Królewska Szwedzka Akademia Nauk w tym roku uhonorowała Nagrodą Nobla z fizyki trzech naukowców, których determinacja i entuzjazm doprowadziły do tego odkrycia. Pionierzy Rainer Weiss i Kip S. Thorne, wraz z Barrym C. Barishem – liderem projektu, otrzymali nagrodę pieniężną w wysokości 9 milionów koron szwedzkich, złoty medal i dyplom honorowy.

Laureaci Nagrody Nobla z fizyki: Rainer Weiss, Barry C. Barish oraz Kip S. Thorne (Nobel Media. Ill. N. Elmehed)

Wykryty w 2015 roku za pomocą dwóch detektorów LIGO oddalonych od siebie o trzy tysiące kilometrów sygnał był bardzo słaby, gdy dotarł w pobliże Ziemi. Zwiastował on jednak potężną rewolucję w astrofizyce. Fale grawitacyjne stwarzają bowiem zupełnie nowe możliwości obserwacji jednego z najbardziej gwałtownych zjawisk we Wszechświecie – zderzenia czarnych dziur.

Będące źródłem zaobserwowanej w 2015 roku fali wydarzenie miało miejsce ponad 1,3 mld lat temu. Połączeniu uległy wówczas dwie czarne dziury o masach odpowiednio 36 i 29 mas Słońca. Ich scalenie poprzedziło zawrotnie szybkie obracanie się wokół siebie dwóch obiektów, które zakończyło się najbardziej energetycznym zderzeniem, jakie kiedykolwiek zaobserwowano. Badacze podają, że kolizja wyzwoliła 50 razy więcej energii, niż posiadały wówczas wszystkie gwiazdy w obserwowalnym Wszechświecie. Przechodząc przez Ziemię, fale zniekształciły nieznacznie czasoprzestrzeń, co zostało zaobserwowane przez niezwykle czułe instrumenty LIGO.

Obserwatorium LIGO Hanford z lotu ptaka. Źródło: ligo.org

Zespół detektorów LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) powstał w latach dziewięćdziesiątych XX wieku jako wspólne przedsięwzięcie badaczy z MIT, Caltech i innych uczelni. Jednak dopiero trwające kilka lat udoskonalenie konstrukcji urządzeń pozwoliło na wykrycie tak subtelnego zjawiska, jakim są fale grawitacyjne.

Instrumenty, zwane interferometrami, zlokalizowane w dwóch ośrodkach badawczych składają się ze skrzyżowanych ze sobą pod kątem prostym tuneli o długości czterech kilometrów. W niemal idealnej próżni światło lasera rozdziela się, a następnie odbija od umieszczonych wewnątrz zwierciadeł. Zmiana odległości pomiędzy zwierciadłami będąca wynikiem przejścia fali grawitacyjnej jest rejestrowana przez niezwykle czułe detektory. Dzięki temu, że promień lasera stukrotnie odbija się wewnątrz instrumentu, możliwe jest zarejestrowanie odchyleń tysiąckrotnie mniejszych od promienia protonu. Precyzyjne urządzenia i algorytmy pozwalają równocześnie odfiltrować zakłócenia wynikające m.in. z ruchów sejsmicznych czy warunków atmosferycznych.

Podobnej obserwacji dokonano również w tym roku z pomocą polskich naukowców. Konsorcjum Virgo, w którym działają badacze z polskich instytucji, wraz z LIGO, ogłosiły we wrześniu 2017 r. wspólną obserwację fal grawitacyjnych wytworzonych podczas zlewania się dwóch czarnych dziur. Wspólne badania pozwalają potwierdzać uzyskane wyniki i wykrywać znacznie subtelniejsze sygnały niż samodzielne obserwatoria.

Obserwacje takich zaburzeń możliwe są nie tylko na Ziemi. Jedną z najciekawszych misji kosmicznych, której zadaniem było również badanie fal grawitacyjnych, jest wyniesiona 3 grudnia 2015 roku na pokładzie rakiety Vega sonda LISA Pathfinder. Półtora miliona kilometrów od Ziemi testowała niezwykłą aparaturę, dzięki której naukowcy będą w przyszłości badać fale grawitacyjne. Pilotażowa misja, opisana w jednym z naszych artykułów, zakończyła się w czerwcu 2017 roku. Jej następstwem jest wybór przez Europejską Agencję Kosmiczną przetestowanych na pokładzie sondy instrumentów do jednej z największych misji Agencji: LISA. Konstelacja trzech kosmicznych obserwatoriów fal grawitacyjnych ma trafić w przestrzeń kosmiczną w 2034 roku.

Jak dotąd wszystkie nowo odkrywane oddziaływania elektromagnetyczne, takie jak promieniowanie kosmiczne czy neutrina, wykorzystywane były przez naukowców do badania Wszechświata. Powtarzające się obserwacje fal grawitacyjnych są kolejnym przełomem umożliwiającym badania nad niedostępnymi do tej pory rejonami kosmosu.