Dawno, dawno temu… a konkretniej 1.3 miliarda lat temu, gdzieś w kosmosie zderzyły się dwie czarne dziury… ale zacznijmy od początku…
Dziś (czyli 11.02.2016r.) naukowcy ogłosili istnienie fal grawitacyjnych. Poruszających się z prędkością światła zmarszczek w czasoprzestrzeni, odbieranych przez aparaturę badawczą jako drganie w polu grawitacyjnym. Mimo wielu fałszywych alarmów przedtem, to doniesienie zdaje się prawdziwe i potwierdzone. Jeśli kolejne badania tego fenomenu potwierdzą wyniki opublikowane dziś, być może jesteśmy świadkami największego odkrycia naukowego w tym dziesięcioleciu i z pewnością jednego z najważniejszych w tym wieku.
No dobra, ale czym są te fale grawitacyjne? W fizyce klasycznej, obiekty w przestrzeni „po prostu” się przyciągają. Albert Einstein zaproponował inne wyjaśnienie, w którym obiekty zakrzywiają czas i przestrzeń wokół siebie. Wyobraź sobie trampolinę. Niech ta trampolina obrazuje czasoprzestrzeń. Kiedy położysz na trampolinie ciężką piłkę (słońce), materiał odkształci się, odwzorowując w ten sposób oddziaływania grawitacyjne. Kiedy spróbujesz puścić mniejszą piłkę po trampolinie, ta zacznie toczyć się dookoła większej, dokładnie tak samo jak planety orbitują wokół Słońca. Ta prosta analogia pozwala wytłumaczyć dlaczego każdy obiekt wytwarza „przyciąganie grawitacyjne” – poprzez zakrzywienie czasoprzestrzeni. Ale gdzie tu fale? Wyobraź sobie zatem, że po trampolinie toczą się z dużą prędkością dwie ciężkie kule bilardowe. Nie odkształcą trampoliny w łagodny sposób, tylko wywołają gwałtowne zaburzenia i fale na powierzchni materiału. W ten sam sposób na czasoprzestrzeń oddziaływają ciężkie ciała niebieskie, jak kwazary czy czarne dziury. Koncepcję fal grawitacyjnych zaproponował w 1918 roku Albert Einstein.
Odkrycia fal grawitacyjnych dokonano 14 września 2015 roku. Teleskopy zarejestrowały wtedy zderzenie dwóch czarnych dziur około 1.3 miliarda lat świetlnych od Ziemi (samo zdarzenie miało miejsce 1.3 miliarda lat temu, jednak dopiero teraz je zobaczyliśmy). Dwa obiekty o masie około 30 mas Słońca zawirowały wokół siebie w ciągu kilku (!) sekund i zapadły się w sobie. Nowa czarna dziura ma teraz masę 62 mas słońca, a energia rzędu 3 mas słońca została wypromieniowana w formie fal grawitacyjnych.
Wyrzut energii i fal grawitacyjnych został zarejestrowany przez obserwatorium LIGO. Samo obserwatorium to dwa obiekty w stanach Louisiana oraz Waszyngton. Każdy z budynków składa się z dwóch próżniowych rur o długości niemal 4km z lustrami na końcach. Zaburzenia w grawitacji mierzone są laserem. Wiązki lasera są odbijane wielokrotnie na odcinku kilku kilometrów, by na końcu trafić do detektora. Jeśli nic się nie stało, to obydwa promienie lasera znoszą się nawzajem, jeśli na lustra trafiła fala grawitacyjna, a jedno z luster przesunęło się, wiązka lasera trafi do detektora. Takie urządzenie musi być bardzo precyzyjne i dobrze odizolowane.
Spacerujący człowiek generuje falę grawitacyjną bliską zeru (ale nadal mierzalną). Ziemia orbitująca wokół Słońca tworzy niewiele większe zaburzenia. Badania były wielokrotnie zaburzane przez samochód, który odbijał się od progu zwalniającego na pobliskim parkingu. Zderzenie czarnych dziur emitujące energię trzech mas słońca poruszających się z kwadratem prędkości światła (tak: E=mc2) poruszyło lustra w LIGO o jedną dziesięciotysięczną średnicy protonu. Według wszelkich wcześniejszych badań proton powinien mieć rozmiar wynoszący około 0,88 femtometra (1 femtometr = 10^-15 metra, czyli innymi słowy 0,000000000000001 metra). Więc lustra zostały przemieszczone o około 0,000000000000000000088 metra.
Co dalej? Jeśli odkrycie okaże się prawdą, ta metoda mierzenia fal grawitacyjnych może zostać rozwinięta. Pozwoli to na badanie ciał niebieskich, które nie emitują światła lub odbijają go na tyle mało, że jest niemożliwe do wykrycia. Dlaczego to odkrycie jest takie ważne? Dalsze prace pozwolą na zbadanie jak obiekty takie, jak gwiazdy manipulują grawitacją. To z kolei może doprowadzić do odkrycia nowych obiektów oraz koncepcji, nie przewidzianych nawet teoretycznie. No dobra, a co to znaczy dla nas? Podwaliny fizyki kwantowej ułożone sto lat temu dziś są: ogniwami fotowoltaicznymi, kamerami cyfrowymi, tranzystorami… czyli na przykład komputerem czy smartfonem na jakim czytasz ten artykuł. Jeśli odkrycie fal grawitacyjnych okaże się prawdziwe, to kto wie, być może za kilkadziesiąt lat będziemy mieli do dyspozycji napęd antygrawitacyjny.
