Dodana: 12 luty 2016 17:34

Zmodyfikowana: 12 luty 2016 17:43

Fale rządzą czasoprzestrzenią. Cała kula ziemska drga w rytm tych fal - białostocki fizyk tłumaczy największe odkrycie ostatnich lat

15 września ubiegłego roku około godz. 11 czasu polskiego dwa amerykańskie detektory zobaczyły zaburzenie czasoprzestrzeni wywołane przez fale grawitacyjną. Zdarzenie kosmiczne, które to wywołało – czyli zderzenie dwóch czarnych dziur - trwało zaledwie ułamek sekundy (0,12) i zdarzyło się 1 miliard 300 mln lat świetlnych temu.  Wtedy nasz Wszechświat miał „ułamek sekundy”. My dowiedzieliśmy się o tym teraz, także dzięki pracy naukowej profesora Piotra Jaranowskiego z Wydziału Fizyki Uniwersytetu w Białymstoku. Następny krok to poszukiwania sygnałów grawitacyjnych pochodzących ze wczesnego wszechświata – czyli grawitacyjnego promieniowania tła które z kolei powie nam jak wyglądał wszechświat kiedy miał tylko ułamek sekundy.

Ilustracja do artykułu IMG_0528.JPG

Pan profesor spotkał się piątek 12 lutego ze studentami i białostockimi naukowcami, by wyjaśnić na czym polega wyjątkowość tego odkrycia.

- Do tej pory astronomowie dysponowali jedynie promieniowaniem elektromagnetycznym  emitowanym przez różne obiekty kosmiczne: promieniowaniem świetlnym, podczerwonym, rentgenowskim. Promieniowanie grawitacyjne jest zupełnie innej natury i dostarcza informacji innych, np. wiele interesujących obszarów we wszechświecie jest zakrytych pyłem. Pył zatrzymuje promieniowanie elektromagnetyczne natomiast nie jest żadną przeszkodą  dla fal grawitacyjnych. Za ich pomocą więc możemy zajrzeć w regiony które są zakryte przed teleskopami optycznymi – podkreśla profesor. - To z całą pewnością ogromny przełom w astronomii.

Pojęcie fal grawitacyjnych zawdzięczamy geniuszowi Alberta Einsteina, które wymyślił niemal dokładnie sto lat temu, w roku 1916. Jak wyjaśniał profesor Jaranowski fale grawitacyjne są to zmarszczki w krzywiźnie czasoprzestrzeni, które się poruszają z prędkością światła. Porównać to można do naciągniętej membrany obrazującej czasoprzestrzeń na której umieszczamy dwie ciężkie kulki. One deformują te membranę (co nam obrazuje zakrzywienie czasoprzestrzeni), i jeżeli zaczniemy te kulki obracać wokół wspólnego środka masy to jest jasne, że pojawi się zaburzenie, które zacznie się rozchodzić na boki. I to jest właśnie fala grawitacyjna.

Tyle teoria, bo prawdziwym wyzwaniem okazało się udowodnienie teorii fal Einsteina, ich istnienia. Ze względów technologicznych pierwsze detektory fal grawitacyjnych powstały dopiero w latach 60. ubiegłego wieku. Ich poszukiwania trwały więc około 50 lat. Żeby je zmierzyć zbudowano specjalne obserwatorium LIGO w USA i Virgo w Europie (ten europejski nie wykonywał jednak badań w tym kluczowym momencie). LIGO składa się z dwóch interferometrów – jeden w stanie Waszyngton (Hanford), drugi w stanie Luizjana (Livingstone). Każdy interferometr jest w kształcie litery L, każde z jego ramion zakończone jest zwierciadłem które tworzą masy testowe, punkty które się poruszają swobodnie w polu masy grawitacyjnej. Pomiędzy nimi  odbijana jest wiązka promieniowania laserowego tam i z powrotem ok. 100 razy, a potem wpadają do centralnego laboratorium i są ze sobą starannie porównywane.

I właśnie 15 września 2015 r. dwa detektory amerykańskiego obserwatorium LIGO (oddalone od siebie o 3 tys. km ) zarejestrowały niemal jednocześnie sygnał fal grawitacyjnych pochodzących ze zderzającego się układu dwóch czarnych dziur. Przechodząca przez ziemię fala grawitacyjna na chwilę odkształciła czasoprzestrzeń co zarejestrowały niezależnie od siebie i oddalone o 3 tys. km detektory.

Fala powstała ze zderzenia ponad 1,3 mld lat świetlnych temu dwóch czarnych dziur. Jakim cudem ta fala dotarła do nas? Jak wyjaśniał profesor Jaranowski z tego zderzenia wytworzyła się ogromna energia. Jak tłumaczył studentom:

- Tuż przed zlaniem się te czarne dziury osiągały prędkość połowy prędkości światła. Prosty rachunek pokazuje, że jak porównamy sumę mas początkowych czarnych dziur i końcowej czarnej dziury to brakuje trzech mas Słońca. I tak powinno być. Zasada zachowania masy powiada, że ta brakująca masa wypromieniowała w postaci fal grawitacyjnych. I teraz mamy bardzo ciekawą rzecz – średnia jasność w czasie zlewania się, średnie tempo wyzwalania się energii, równa jest dwustu mas, co oznacza, że w jednej sekundzie jakby dwieście słońc  zniknęło i pojawiła się czysta energia w postaci fali grawitacyjnej. To moc sto razy większa niż całkowita  jasność  obserwowalnego Wszechświata.

OTO JAK WYGLĄDA PODRÓŻ FAL GRAWITACYJNYCH (Za: LIGO)

Co naukowcy zrobią teraz z tą wiedzą? - Przede wszystkim chcemy znaleźć inne sygnały, m.in. pochodzących od pojedynczych gwiazd neutronowych. Pozwoli nam to zrozumieć jak te gwiazdy są zbudowane. Poszukujemy też sygnałów grawitacyjnych pochodzących ze wczesnego wszechświata – grawitacyjnego promieniowania tła które z kolei powie nam jak wyglądał wszechświat kiedy miał tylko ułamek sekundy.

Odkrycie jest efektem współpracy ponad tysiąca naukowców pracujących w dwóch wielkich projektach: LIGO, z detektorami w amerykańskich miastach Hanford i Livingston oraz europejski VIRGO, w którego pracach biorą udział również polscy fizycy, 15 polskich naukowców (projekt POLGRAW). Jednym z nich jest prof. Jaranowski z UwB.

Rola naszego, białostockiego naukowca polegała w szczególności na stworzeniu (we współpracy z prof. Andrzejem Królakiem z Instytutu Matematycznego PAN w Warszawie) podstaw wielu algorytmów i metod służących do wykrycia i estymacji parametrów fal grawitacyjnych z tzw. układów podwójnych. Badacze przyczynili się też do precyzyjnego modelowania sygnału fali grawitacyjnej z układu podwójnego. 

Profesor Piotr Jaranowski związany jest z białostocką uczelnią od 1985 roku. Kieruje Zakładem Astronomii i Astrofizyki na Wydziale Fizyki UwB. 

Logo serwisu Twitter Logo serwisu Facebook