Bezpośrednią konsekwencją ogólnej teorii względności zaproponowanej ponad 100 lat temu przez Alberta Einsteina była hipoteza zakładająca, że fale emitowane przez przyspieszające masy rozprzestrzeniają się w czasoprzestrzeni i powodują jej deformację. Te odkształcenia czterowymiarowej czasoprzestrzeni nazywane są falami grawitacyjnymi. Choć teoria zakładała ich istnienie już na początku XX wieku, to dopiero w kolejnym stuleciu otrzymaliśmy na to bezpośrednie dowody.
14 września 2015 roku dwa detektory LIGO, znajdujące się w Hanford w amerykańskim stanie Waszyngton i Livingston w stanie Luizjana, zarejestrowały po raz pierwszy w historii fale grawitacyjne. O tym przełomowym osiągnięciu dowiedzieliśmy się kilka miesięcy później, a dokładnie 11 lutego 2016 roku podczas konferencji prasowej Obserwatorium LIGO. Pierwsza detekcja „zmarszczek czasoprzestrzeni”, jak czasem określa się fale grawitacyjne, to również efekt pracy naukowców z Uniwersytetu Warszawskiego, działających w ramach polskiego zespołu Virgo-Polgraw, zajmującego się analizą danych zebranych przez detektory. Naukowcy z UW uczestniczą również w dalszych badaniach nad falami grawitacyjnymi. Dr Marek Szczepańczyk z Katedry Teorii Względności i Grawitacji na Wydziale Fizyki UW zajmuje się opracowywaniem danych zebranych w trakcie obserwacji LIGO-Virgo-KAGRA i jest jednym ze współautorów publikacji na temat pierwszej bezpośredniej detekcji fal grawitacyjnych.
Nowatorskie badania polskiego naukowca
W historii badań nad falami grawitacyjnymi istotną rolę odegrał prof. Andrzej Trautman, obecnie emerytowany profesor Wydziału Fizyki UW. W 1960 roku wraz z amerykańskim naukowcem Ivorem Robinsonem opublikował opis fal grawitacyjnych, będący rozwiązaniem równań Einsteina. Wyniki tych badań, jak również i wcześniejsze prace Trautmana, stały się podstawą do dalszych badań nad teorią fal grawitacyjnych.
To, co wydarzyło się w 2015 roku, było praktycznym potwierdzeniem ustaleń polskiego naukowca. W 2017 roku Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki nagrodzono Rainera Weissa, Barry’ego C. Barisha oraz Kipa S. Thorne’a, naukowców zaangażowanych w projekt LIGO-Virgo, właśnie za wkład w odkrycie fal grawitacyjnych. Ich dokonania nie byłyby jednak możliwe bez teoretycznych podstaw dokonanych przez polskiego fizyka. Z tego właśnie powodu prof. Trautman jest jedną z osób, które co roku typowane są jako potencjalni laureaci Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki. W 2017 roku prof. Trautman otrzymał Nagrodę Fundacji na rzecz Nauki Polskiej, nazywaną „polskim Noblem”.
Na tropie „zmarszczek czasoprzestrzeni”
Od momentu pierwszej detekcji w 2015 roku odbyły się trzy serie obserwacji prowadzonych wspólnie przez detektory Obserwatorium LIGO, detektor Virgo Europejskiego Obserwatorium Grawitacyjnego we Włoszech, a także detektor KAGRA w Japonii. W trakcie pierwszych trzech serii obserwacyjnych LIGO-Virgo-KAGRA zarejestrowano przede wszystkim przykłady zlania się (w fizyce zjawisko to określa się mianem koalescencji) układów podwójnych tworzonych przez dwie czarne dziury lub dwie gwiazdy neutronowe. Czarne dziury to miejsca w przestrzeni, w których materia jest tak gęsto upakowana, a przyciąganie grawitacyjne tak silne, że nic nie jest w stanie się z niej wydostać – nawet światło. Z kolei gwiazdy neutronowe to relatywnie małe (ich średnica wynosi od 10 do 20 km, podczas gdy średnica Słońca to około 1392600 km), niezwykle gęste ciała niebieskie (ich maksymalna masa może wynosić ponad dwie masy Słońca – to tak jakby piłka tenisowa ważyła miliony ton), które powstają po wybuchu supernowej. Złożone są przede wszystkim z neutronów, stąd ich nazwa. Z kolei w 2020 roku zarejestrowano po raz pierwszy fale grawitacyjne powstałe w wyniku połączenia się układu mieszanego, a więc gwiazdy neutronowej i czarnej dziury.
Obecnie trwa czwarta seria obserwacji (O4), która rozpoczęła się w pierwszej połowie 2023 roku. Wystąpiły w niej jednak opóźnienia wywołane pojawieniem się usterek w detektorach LIGO w Livingston i Hanford. Jak podkreśla dr Szczepańczyk, naprawa ostatniej usterki w detektorze Livingston musi być przeprowadzona względnie szybko, aby zdążyć przed sezonem huraganowym.
W trakcie O4 naukowcom udało się zarejestrować fale grawitacyjne pochodzące ze zderzenia się dwóch obiektów o masie od 2,5 do 4,5 mas Słońca i od 1,2 do 2,0 mas Słońca. Mimo że nie można jednoznacznie określić, z jakimi obiektami mamy do czynienia, to na podstawie dostępnych szacunków naukowcy twierdzą, że najprawdopodobniej źródłem tych fal grawitacyjnych było połączenie się gwiazdy neutronowej z czarną dziurą.
Naukowcy szukali również – na razie bezskutecznie – tzw. ciągłych fal grawitacyjnych, których przewidywanym źródłem są gwiazdy neutronowe. Ich wykrycie pomogłoby naukowcom prowadzić powtarzalne badania tego samego źródła promieniowania fal grawitacyjnych. Dzięki temu będzie możliwe dokładniejsze zbadanie struktur tych obiektów, a także pozwoli na sprawdzanie w praktyce ogólnej teorii względności.
Wynikiem wszystkich czterech serii obserwacji jest detekcja (jak dotąd) około 300 fal grawitacyjnych. To naprawdę dużo i jak zwraca uwagę dr Szczepańczyk, już teraz bardzo trudnym zadaniem jest przeanalizowanie wszystkich tych przypadków. Koniec serii badań O4 obecnie przewidziany jest na październik 2025 r.
Horyzont nowych możliwości
Pierwsza bezpośrednia detekcja fal grawitacyjnych otworzyła nowy rozdział w badaniach nad kosmosem. Dała początek nowej dyscyplinie naukowej, czyli astrofizyce fal grawitacyjnych, dzięki której jesteśmy w stanie badać Wszechświat w zupełnie nowy sposób, odkrywając to, co do tej pory było niedostępne klasycznej astronomii. Za pośrednictwem fal grawitacyjnych możemy „usłyszeć” to, co dzieje się w kosmosie. Naukowcy są bowiem w stanie przekształcić ich częstotliwości w dźwięki.
– Posługując się analogią, dzięki światłu widzimy wydarzenia we Wszechświecie, zaś dzięki falom grawitacyjnym możemy słyszeć te wydarzenia, których nie możemy widzieć. Korzystając z fal grawitacyjnych obserwujemy zderzenia się czarnych dziur oraz bardzo gęstych gwiazd neutronowych – zauważa dr Marek Szczepańczyk.
Dr Szczepańczyk zwraca również uwagę na perspektywy, które stwarza ta dynamicznie rozwijająca się dyscyplina nauki.
– Mamy nadzieję, że w przyszłości będziemy w stanie na przykład usłyszeć wnętrze wybuchających gwiazd albo obracające się pulsary. Fale grawitacyjne dają nam też unikalną możliwość badania grawitacji w ekstremalnych warunkach i przetestowania, „czy Einstein miał rację” – podsumowuje badacz.
