Odkrycie fal grawitacyjnych,które potwierdziło ogólną teorię względności Alberta Einsteina, może być początkiem rewolucji, jaka w najbliższych latach czeka fizykę i astronomię. O rozmowę poprosiliśmy prof. Andrzeja Królaka z Instytutu Matematycznego Polskiej Akademii Nauk, który kierował pracami polskiej grupy naukowców zaangażowanych w odkrycie fal grawitacyjnych.
Grzegorz Dziedzic: 14 września 2015 r. po raz pierwszy w historii nauki zaobserwowano fale grawitacyjne, ale odkrycie to zostało ogłoszone dopiero 11 lutego. Świat naukowy i media obiegła opinia, że jest to odkrycie przełomowe.
Profesor Andrzej Królak: Była to pierwsza bezpośrednia rejestracja fali grawitacyjnej. Ze względu na to, że te fale są niezwykle słabe, ich zaobserwowanie było ogromnym wyzwaniem technologicznym. Sam sygnał to echo kosmicznej katastrofy – miliard lat temu zderzyły się ze sobą dwie masywne czarne dziury, a w efekcie tego zderzenia powstała nowa, bardziej masywna czarna dziura. 14 września fale grawitacyjne powstałe podczas tego zderzenia dotarły do Ziemi.
Przeciętny człowiek rozumie pojęcia: grawitacja i fala, przynajmniej na podstawowym poziomie. W momencie połączenia tych terminów wchodzimy na wyższy poziom abstrakcji. Czym są fale grawitacyjne?
– Samo zjawisko fal przypomina fale elektromagnetyczne lub fale rozchodzące się po powierzchni wody. W tym przypadku mamy do czynienia z falami tworzonymi przez siły grawitacyjne. To zjawisko przewidziane przez ogólną teorię względności Einsteina, która to teoria opisuje grawitację poprzez zakrzywienie czasoprzestrzeni. Im większa masa, tym bardziej zakrzywiona czasoprzestrzeń. Wraz z nadejściem fali grawitacyjnej zmienia się więc zakrzywienie czasoprzestrzeni. Mówimy o „zmarszczkach” czasoprzestrzeni. Zgodnie z teorią Einsteina fale grawitacyjne rozchodzą się z prędkością światła.
Czyli w momencie przejścia przez Ziemię fal grawitacyjnych nadbiegających z prędkością światła z odległych rejonów kosmosu czasoprzestrzeń wokół naszej planety ulega zakrzywieniu?
– Tak, ale jest to zakrzywienie tak minimalne, że praktycznie niezauważalne. Słońce i Ziemia, która krąży wokół niego, tworzą układ podwójny, który także produkuje fale grawitacyjne, ale są one tak małe, że nie jesteśmy w stanie ich zmierzyć. W dużym przybliżeniu w Układzie Słonecznym do opisania grawitacji wystarczy teoria Newtona, w której czasoprzestrzeń jest płaska. Dopiero gdy badamy tak gęste obiekty jak czarne dziury, efekty grawitacyjne są nieporównywalnie większe. Fale grawitacyjne słabną wraz z odległością, którą pokonują, i te, które dochodzą do Ziemi, są bardzo słabe. Na pewno nie mają wpływu na nasze życie i funkcjonowanie.
Jak to możliwe, że tak słaby i krótki sygnał, jaki udało się zaobserwować naukowcom, może posłużyć do ustalenia prędkości oraz mas obiektów odległych od Ziemi o miliard lat świetlnych i poruszających się z prędkością 150 tys. km na sekundę?
– Znane były bardzo dokładne teoretyczne modele takiego sygnału. Ten sygnał, mimo że dość krótki, miał wiele etapów i był bardzo bogaty. Na jego podstawie ustaliliśmy, że te dwie czarne dziury krążyły wokół siebie. Obserwowaliśmy tzw. „ćwierk”, czyli sygnał o rosnącej częstości i amplitudzie. Podobnie dzieje się, gdy ćwierkają niektóre ptaki – słyszymy coraz wyższe tony i są one coraz głośniejsze. To był pierwszy etap, po nim nastąpił gwałtowny wybuch, a następnie czarne dziury złączyły się w jedną, która zaczęła drgać, co również udało się odczytać. Sygnał składał się z trzech etapów, które zgadzały się z modelem. Opracowanie tego modelu to wysiłek kilkudziesięciu lat pracy teoretyków, dzięki jego istnieniu można było ten sygnał tak dokładnie zbadać. To, co zarejestrowaliśmy, dopasowaliśmy do istniejącej teorii.
Teoretycznie istnienie fal grawitacyjnych przewidział sto lat temu Albert Einstein. Następnie naukowcy stworzyli ich model, a dopiero niedawno zostały zaobserwowane. Zgadza się?
– Był jeszcze jeden istotny etap. Einstein rozwiązał swoje równania jedynie w przybliżeniu, nie był pewien istnienia fal grawitacyjnych. Na przełomie lat 50. i 60. ubiegłego wieku to zjawisko zbadano dokładniej i wykazano, że równania Einsteina przewidują promieniowanie grawitacyjne. Później powstały projekty detektorów fal grawitacyjnych. Pierwsze, w formie aluminiowych walców zbudował na Uniwersytecie Maryland Joseph Weber. Minęły lata, zanim powstała koncepcja interferometrów laserowych, zdolnych wykryć dużą gamę sygnałów fal grawitacyjnych. Dwa detektory projektu badawczego LIGO powstały w USA, w stanach Waszyngton i Luizjana, a europejski interferometr VIRGO został zbudowany we Włoszech.
Do powstania teoretycznego modelu przyczynił się zespół polskich naukowców pod pańskim kierownictwem. 15 naukowców z polskiej grupy POLGRAW weszło w skład zespołu badawczego, który odkrył fale grawitacyjne. Proszę przybliżyć naszym czytelnikom rolę Polaków w tym odkryciu.
– Polska grupa POLGRAW wniosła wkład w prace zespołu badawczego na wielu jej etapach. Zajmowaliśmy się tworzeniem algorytmów służących „wyciąganiu” sygnału z szumu detektora. Braliśmy też udział w modelowaniu tego sygnału. Z amerykańskimi naukowcami pracowaliśmy od dawna, kiedy jeszcze projekty LIGO i VIRGO były w fazach planów i rozważań. Proponowaliśmy metody wykrycia tych sygnałów.
We wrześniu 2014 r. Amerykanie włączyli detektory LIGO w celu przeprowadzenia testu próbnego i nagle odebrali sygnał, w obu urządzeniach jednocześnie. O błędzie nie mogło być mowy. Naukowcy mogą jednak mówić o sporym szczęściu.
– Detektory LIGO działały już 14 września i były wykalibrowane, choć trwały jeszcze ostateczne prace przygotowawcze. Sygnał został odkryty w czasie rzeczywistym. Był silniejszy, niż się spodziewaliśmy, ponieważ masy czarnych dziur, które się ze sobą zderzyły, były o wiele większe, niż przewidywano. Już po godzinie wiedzieliśmy, że urządzenia zarejestrowały coś niezmiernie ciekawego. Rozpoczęła się praca setek ludzi, żeby ten sygnał zbadać. Było w tym odkryciu dużo szczęścia, ale przede wszystkim trzeba stwierdzić, że projekt LIGO został znakomicie przygotowany. Można powiedzieć, że szczęście sprzyja najlepszym i tym, którzy są na nie przygotowani.
W jaki sposób działają interferometry laserowe, czyli detektory fal grawitacyjnych?
– Urządzenie jest niezwykle skomplikowane technologicznie i bardzo duże, ale zasada jego działania jest dosyć prosta. Wiązka światła laserowego jest rozszczepiana za pomocą lustra na dwa promienie, które biegną w ramionach detektora, ustawionych do siebie prostopadle. Każde z ramion ma cztery kilometry długości, a na ich końcach znowu zamontowane są lustra, które światło odbijają, a ono wraca do punktu wyjścia. W momencie przejścia przez detektor fali grawitacyjnej długość drogi wiązki lasera w ramionach ulega minimalnym zmianom. Światło w jednym z ramion dobiega do końca drogi z niewielkim opóźnieniem w stosunku do światła w drugim ramieniu. Zmienia się natężenie światła i można zmierzyć właściwości fal grawitacyjnych. Urządzenie musiało spełniać kilka kryteriów: laser dużej mocy, ramiona odpowiednio długie, lustra idealnie wyszlifowane, a całość zamknięta w próżni i ustabilizowana sejsmicznie, żeby wykluczyć wszelkie drgania skorupy ziemskiej. Ponadto potrzebna była bardzo zaawansowana elektronika, która pozwala urządzeniem sterować i mierzyć jego wskazania.
[blockquote style=”4″]Było w tym odkryciu dużo szczęścia, ale przede wszystkim trzeba stwierdzić, że projekt LIGO został znakomicie przygotowany. Można powiedzieć, że szczęście sprzyja najlepszym i tym, którzy są na nie przygotowani[/blockquote]
Wahnięcie wiązki lasera, które udało się zarejestrować, wyniosło miliardową część miliardowej części metra. Taka skala wymyka się ludzkiej wyobraźni.
– Przesunięcia są rzeczywiście bardzo małe. Światło lasera jest bardzo stabilne i jeszcze dodatkowo stabilizowane. Ale rzeczywiście pomiar w tej skali odbywa się na granicy, częściowo technologicznej, a częściowo dopuszczalnych praw fizyki. W pewnym momencie wchodzimy w obszar fizyki kwantowej. Dochodzimy do granic mierzalności wytyczonych prawami fizyki.
A jednak udało się je zaobserwować. Co dalej? Porozmawiajmy o możliwych praktycznych zastosowaniach waszego odkrycia. Do czego odkrycie fal grawitacyjnych może przydać się ludzkości?
– Przy pomocy fal grawitacyjnych możemy zbadać tak egzotyczne i odległe obiekty jak czarne dziury. Także wybuchy supernowych i początkowe etapy istnienia wszechświata. Powstanie nowa dyscyplina naukowa – astronomia fal grawitacyjnych i będziemy mogli zbadać zjawiska niedostępne dotychczas dla posiadanych przez nas instrumentów obserwacyjnych, takich jak teleskopy optyczne czy radioteleskopy. Wszechświat zaczął się od pojedynczego punktu, w którym krzywizna czasoprzestrzeni była praktycznie nieskończona. W czarnych dziurach występuje tzw. osobliwość, gdzie zakrzywienie ma również wartość nieskończoną. W tych przypadkach teorie, którymi dysponujemy, przestają obowiązywać. Fale grawitacyjne mogą stać się próbnikiem nowej fizyki. Tak jak teoria Einsteina doprowadziła do zastosowania energii atomowej, czy technologii GPS, fale grawitacyjne z pewnością znajdą zastosowania praktyczne. Ale na tym etapie za wcześnie jest, by powiedzieć jakiego rodzaju one będą. Z pewnością do jakichś praktycznych rozwiązań będzie można fale grawitacyjne zaprzęgnąć.
Prawdopodobnie odkrycie fal grawitacyjnych jest milowym krokiem dla nauki i technologii. W świecie naukowym już głośno mówi się o nagrodzie Nobla dla ich odkrywców.
– Nobel za odkrycie fal grawitacyjnych jest powszechnie oczekiwany. Oczywiście dostaną go prekursorzy tych badań, którzy zaczęli je na długo, zanim ja do nich przystąpiłem. W przypadku tego odkrycia mamy też do czynienia z pierwszym w historii zaobserwowaniem podwójnego układu czarnych dziur. Już samo jego odkrycie zasługuje na nagrodę Nobla. Póki co, nagrody mogą być dwie, ale nie wykluczamy, że w najbliższym czasie dokonamy za pomocą detektorów kolejnych ważnych odkryć. Być może zasłużymy na kolejne nagrody Nobla.
Gdzie Pan był, kiedy detektory w Stanach Zjednoczonych zarejestrowały fale grawitacyjne? Jak była Pana reakcja?
– 14 września ubiegłego roku byłem w Polsce. Jestem w komitecie analizy danych LIGO i VIRGO, w związku z czym wiadomość o wykryciu sygnału doszła do mnie bardzo szybko. Początkowo nie wierzyłem, że to się udało, że sygnał fali grawitacyjnej od razu się pojawił. Myślałem, że to może być błąd, jakieś zakłócenie, ale w ciągu dwóch dni nastąpiła mobilizacja naukowców pracujących nad projektem i coraz wyraźniej widać było, że to prawdopodobnie prawdziwy sygnał. Na potwierdzenie wszystkich analiz potrzebowaliśmy pięciu miesięcy, dopiero wtedy ogłosiliśmy wynik.
Czy 11 lutego w Polskiej Akademii Nauk strzeliły korki od szampanów?
– Po 14 września nie mogliśmy nikomu mówić o odkryciu, nawet naszym szefom w Polskiej Akademii Nauk. Utrzymanie tajemnicy aż do momentu potwierdzenia, że zaobserwowaliśmy fale grawitacyjne, było niezmiernie ważne. Gdybyśmy popełnili błąd, mogłoby dojść do naukowego falstartu. Historia badań nad falami grawitacyjnymi zna takie przypadki.
Serdecznie gratuluję odkrycia i życzę kolejnych sukcesów. Dziękuję za rozmowę.
Rozmawiał: Grzegorz Dziedzic
[spacer color=”000000″ icon=”Select a Icon” style=”1″]
Andrzej Królak – profesor w Instytucie Matematycznym Polskiej Akademii Nauk. Specjalista w zakresie teorii grawitacji i analizy danych z detektorów fal grawitacyjnych. Członek Zarządu projektu fal grawitacyjnych Virgo i współprzewodniczący jednej z grup analizy danych konsorcjum LIGO-VIRGO. Koordynator polskiego zespołu POLGRAW-VIRGO. Współautor książki „Gravitational wave data analysis” wydanej przez Cambridge University Press w 2009 roku. Wieloletni wizytujący profesor w Instytucie Maxa Plancka Fizyki Grawitacyjnej w Niemczech. Stażysta National Research Council w laboratorium NASA – Jet Propulsion Laboratory w Pasadena California w latach 2002-2004. Laureat dwóch nagród Gravity Research Foundation.
