Weiss, Barish, Thorne. Z czułością do fal grawitacyjnych

Pod względem fizycznym fale grawitacyjne zachowują się podobnie jak np. fale elektromagnetyczne: mają różne częstotliwości, rozchodzą się z prędkością światła, mogą też przenosić energię z miejsca na miejsce. Jedna zasadnicza różnica polega na tym, że fale grawitacyjne bardzo trudno wykryć, ponieważ grawitacja jest oddziaływaniem słabym. To, że w codziennym życiu doświadczamy na każdym kroku jej przemożnego działania, wiąże się z wielkimi masami, z którymi jest sprzężona. Źródłem fal grawitacyjnych jest każde ciało poruszające się z przyspieszeniem. Nasza Ziemia, krążąc po orbicie, także emituje fale grawitacyjne, ale w tak znikomej ilości, że tracąc na to energię, zbliża się do Słońca mniej więcej o rozmiar fotonu dziennie. W ciągu swego istnienia zbliżyła się dzięki temu do swej gwiazdy o... cały milimetr.

W promieniowaniu elektromagnetycznym (światło widzialne, promieniowanie rentgenowskie czy gamma) za przenoszenie oddziaływań odpowiadają fotony. W przypadku fal grawitacyjnych ich rolę pełnią hipotetyczne, niewykryte do tej pory, grawitony. Istnienie zarówno fal grawitacyjnych, jak i grawitonów, wynika z ogólnej teorii względności Einsteina, ogłoszonej w 1916 roku.

Drgania czasoprzestrzeni

Fizykom trudno było uwierzyć w realność takich fenomenów. Prominentny fizyk z początku XX w., Arthur Eddington, uważał je za efekt założeń Einsteina, a także pomyłek i wieloznaczności w określaniu położeń w czasie i przestrzeni. Nie były to jego zdaniem prawdziwe fale i należało się ich pozbyć. Wtórował mu sam Einstein – twierdził, że popełnił błąd w kalkulacjach, a jeszcze w 1936 r. w artykule w „Physical Review" dowodził, że fale grawitacyjne po prostu nie mogą istnieć.

Stopniowo środowisko fizyków zaczęło je uważać za zjawisko realne, choć akceptacja dziwacznych fal zajęła dwie następne dekady. Zrozumiano, że fale te to de facto drgania czasoprzestrzeni, niezmiernie słabe pomimo generujących je gigantycznych mas. Popularna w przypadku fal analogia do stawu, do którego wrzucono kamień i wywołano fale na wodzie, okazała się w tym wypadku zwodnicza: w tym stawie woda zdawała się mieć gęstość stali, która ledwie drga przy najsilniejszych uderzeniach.

Wobec takich, a nie innych, właściwości fal grawitacyjnych ich źródeł należało poszukiwać wśród najbardziej masywnych obiektów w całym kosmosie: gwiazd neutronowych i czarnych dziur. Obie kategorie należą do finalnych produktów ewolucji gwiazd. Gwiazdy neutronowe powstają po wybuchach supernowych, kiedy resztki dawnej gwiazdy skupiają się w supergęste jądro o wymiarach rzędu dziesiątków kilometrów; gęstość materii jest tam porównywalna z gęstością jąder atomowych. Z kolei czarne dziury to supermasywne gwiazdy zapadające się w głąb samych siebie i wytwarzające tak straszliwą grawitację przy stosunkowo niewielkich rozmiarach, że z ich powierzchni nawet światło nie jest w stanie się wyrwać. Gwiazdy takie po prostu znikają dla obserwatora – stąd nazwa.

Zatem najlepszych generatorów fal grawitacyjnych należało upatrywać wśród układów podwójnych zawierających jeden z tych składników: gwiazdę neutronową albo czarną dziurę. Jeszcze lepszych efektów należałoby się spodziewać po układach, gdzie okrążają się dwie gwiazdy neutronowe albo dwie czarne dziury. Szczytem szczęścia dla ziemskiego obserwatora byłaby kolizja tych składników, czemu towarzyszyłoby wyemitowanie potężnych fal grawitacyjnych i równie ogromnej energii. Ta ścieżka rozumowania potwierdziła się w 1974 r., kiedy to astrofizycy Russell Hulse i Joseph Taylor odkryli ciasny układ dwóch gwiazd neutronowych. Wskutek utraty energii na emitowanie fal grawitacyjnych ich orbity zacieśniały się zgodnie z przewidywaniem teorii Einsteina. Był to pośredni argument za istnieniem owych fal; za to odkrycie obaj naukowcy zostali wyróżnieni Nagrodą Nobla.

Magiczne walce Webera

Wcześniej jednak, bo jeszcze w latach 50. XX w., do gry o fale grawitacyjne przystąpił zdolny i ambitny fizyk Joseph Weber. Podczas II wojny światowej był dowódcą okrętu, po wojnie zrobił doktorat z fizyki i zajął się rejestrowaniem fal grawitacyjnych. Użył do tego czterech pięciotonowych walców aluminiowych podwieszonych u sufitu; do każdego przymocował zestaw czujników piezoelektrycznych. Cylindry miały wibrować, gdy przechodziła przez nie fala grawitacyjna, ale wprawiało je w ruch cokolwiek – przejazd samochodu, trzaśnięcie drzwiami, tąpnięcie sejsmiczne. Po wyeliminowaniu tych okazjonalnych szumów walce Webera natychmiast zaczęły rejestrować bodźce. Aby jednak mieć pewność, że drgania pochodzą od fal grawitacji, Weber umieścił jeden z cylindrów 1000 km od swego macierzystego laboratorium na Uniwersytecie Maryland. Gdyby efekt przejścia fali pojawił się na obu cylindrach w tym samym czasie, byłby to dowód zarejestrowania fali grawitacyjnej.

Dziś wiemy, że Weber porwał się z motyką na słońce, ale wówczas prezentowane sugestywnie dane robiły piorunujące wrażenie. Pomiary okazały się zbieżne na wszystkich czterech cylindrach. Wydawało się, że Weber odkrył fale grawitacyjne, jednak sam fizyk wciąż nie był zadowolony. Cylindry wibrowały pod wpływem ciepła wewnętrznego i rozmaitych zakłóceń, jakich pełno w dużym mieście akademickim. Mimo to Weber wychwycił kierunek, z jakiego pojawiały się fale: centrum Galaktyki. Uznał to za dobry omen: bo skąd mają napływać fale, jeśli nie z miejsca, gdzie zgromadzona jest większość masy Galaktyki.

Poparcia jego programowi udzielili najwięksi ówcześni uczeni. Roger Penrose obliczył, jak na aparaturę Webera wpłynęłoby zderzenie dwóch czarnych dziur, a Stephen Hawking przeprowadził eksperyment myślowy z wrzuceniem jednej czarnej dziury w drugą, co z pewnością spowodowałoby wyemitowanie potężnych fal grawitacyjnych. Weber był na topie; zaczęto przebąkiwać o przyznaniu mu Nagrody Nobla.

Kłopot polegał na tym, że prymitywna aparatura Webera wydawała się zbyt czuła. Żeby rejestrowała fale tak wyraźnie, musiałyby to być „prawdziwe potwory", jak pisze w książce o teorii względności astrofizyk z Oksfordu Pedro Ferreira. Powtórzone w innych ośrodkach badawczych pomiary z użyciem aparatury Webera nie potwierdziły jego wyników. Mimo to Weber nie dawał za wygraną: kopie jego walców użyte w innych laboratoriach nie były dokładne, bo on sam wciąż znajdował zbieżności. Nie uniknął jednak przykrych wpadek. Sygnały z centrum Galaktyki napływały w cyklach 24-godzinnych, ktoś jednak wskazał, że powinny to być cykle 12-godzinne, gdyż Ziemia jest przezroczysta dla fal grawitacyjnych i nie ekranuje ich swą masą. Weber wprowadził korekty i znów wszystko się zgadzało. Przy porównaniu wskazań detektorów z Maryland i odległego o 1000 km Rochester okazało się, że Weber znalazł zbieżności pomimo innego oznaczania czasu – w rzeczywistości powinny one występować z 4-godzinnym opóźnieniem. Gdy i to zostało skorygowane, Weber ponownie zanalizował dane i ponownie odkrył zbieżności. „Wydawało się, że odkrycie Webera jest kompletnie niepodatne na błędy i pomyłki", podsumowuje Ferreira.

Uporczywość Webera w znajdowaniu fal grawitacyjnych pomimo wszelkich przeciwności zrujnowała w końcu jego reputację naukową. Gwoździem do trumny okazała się publikacja znanego eksperymentatora Richarda Garwina, który dowodził, że wykryte przez Webera zbieżności nie wynikały z obecności fal grawitacyjnych, co więcej – nie mogły z nich wynikać. Piękny projekt użycia walców aluminiowych do wykrycia tych fal legł w gruzach, a sam Weber niemal z dnia na dzień został wykluczony ze społeczności szanujących się fizyków. Odmawiano mu publikacji, wyschły źródła finansowania. Skazany na śmierć naukową Weber do końca życia upierał się, że odkrył fale grawitacyjne. Paradoksalnie, dopiero po upadku błądzącego badacza poszukiwanie tych fal rozpoczęło się na serio.

LIGO i LISA

Nie chce się wierzyć, ale z odsieczą falom grawitacyjnym przyszła idea pochodząca z lat 80. XIX w., kiedy to amerykańscy fizycy Albert Michelson i Edward Morley dokonali porównania prędkości światła względem hipotetycznych fal eteru. Oczywiście żadnego eteru nie wykryli, ale użyty do tego przyrząd okazał się rewelacją. Eksperymentatorzy badali rozchodzenie się światła w dwóch prostopadłych kierunkach równocześnie, nakładając na końcu obie wiązki na siebie, przez co byłyby widoczne zakłócenia wywołane przez eter. W 1992 r. pomysł ten zaadaptowali do wykrywania fal grawitacji Kip Thorne, Ronald Drever i Reiner Weiss. Budowa zakończyła się w 2000 r., jednak pierwsze pomiary przeprowadzone dwa lata później nic nie dały – detektor nazwany LIGO (od Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) wykazał zbyt małą czułość. W 2008 r. zaplanowano zatem dziesięciokrotne zwiększenie czułości LIGO. Prace zakończono siedem lat później i 4 września 2015 r. odkrycie fal grawitacyjnych stało się faktem.

LIGO nie jest przyrządem małym, raczej olbrzymią instalacją złożoną z dwóch rur betonowych o długości 4 km każda i średnicy 2 m, stykających się pod kątem prostym. Wewnątrz nich biegną rury stalowe, z których wypompowano powietrze. W miejscu złączenia rur umieszczono laser oraz rozdzielacz wiązki światła. W normalnych warunkach światło lasera przechodzi przez oba ramiona bez zakłóceń, jednakże fala grawitacyjna odkształcająca ramiona i światło ma do przebycia różne drogi. Zawracając je do detektora i porównując metodą interferometrii widzi się drobne zakłócenia spowodowane przez falę, która minęła Ziemię. Do jej zarejestrowania niezbędna jest precyzja rzędu jednej dziesiątej średnicy protonu. Największym wrogiem LIGO był Joseph Weber: aktywnie występował przeciw marnowaniu milionów dolarów, skoro on sam zarejestrował fale grawitacyjne o wiele tańszym kosztem.

Najtrudniejszą kwestią związaną z epokowym odkryciem LIGO było chronienie aparatury przed zakłóceniami: wstrząsami sejsmicznymi, łomotem robót budowlanych czy drganiami wywoływanymi przez samoloty i środki komunikacji naziemnej. Aby wykluczyć wpływ tych i innych przypadkowych czynników, zbudowano od razu dwie instalacje LIGO odległe od siebie o ponad 3 tys. km; pokazały one zgodnie impuls spowodowany przez falę grawitacyjną. Wywołało ją zderzenie dwóch czarnych dziur o masach 29 i 36 mas Słońca, odległych od Ziemi o 1,3 mld lat świetlnych. W wyniku kolizji około trzech mas Słońca zostało wyemitowane w formie fal grawitacyjnych.

W grudniu 2015 r. ten sam zespół zaobserwował efekt kolizji czarnych dziur o 14,2 oraz 7,5 masy Słońca, która zaszła 1,4 mld lat świetlnych od Ziemi. W efekcie powstał obiekt o 20,8 masy Słońca, zaś około jednej masy Słońca zostało uwolnione w formie fal grawitacyjnych. W styczniu 2017 r. wychwycono fale grawitacyjne z połączenia czarnych dziur o 31,2 oraz 19,4 masy Słońca. Tym razem nowa czarna dziura osiągnęła 48,7 masy Słońca, a dwie masy Słońca zostały wyemitowane w formie fal. Kolizje takie określa się jako zderzenia czarnych dziur; w rzeczywistości do żadnego zderzenia nie dochodzi, astrofizycy mówią raczej o zlewaniu się czarnych dziur w jedną. Zawsze jest to połączone z gigantyczną emisją fal grawitacyjnych.

Czułość interferometru laserowego zależy od długości jego ramion. W związku z tym planuje się wyniesienie takiego przyrządu w przestrzeń kosmiczną. Interferometr nazwany LISA (od Laser Interferometer Space Antenna) będą tworzyć trzy satelity w szyku trójkąta równobocznego, umieszczone na orbicie wokółziemskiej, ale dość daleko od Ziemi (około 50 mln km). Bok trójkąta, a zarazem ramię interferometru będzie mierzyć 2,5 mln km. Przejście fal grawitacyjnych każdorazowo będzie wywoływać niewielkie zmiany odległości pomiędzy satelitami. Program będzie realizowany od 2034 r. przez Europejską Agencję Kosmiczną (ESA); początkowo miała w nim uczestniczyć także amerykańska NASA, ale Waszyngton odmówił finansowania.

LISA będzie właściwie układem trzech niezależnych interferometrów, których ramiona będą połączone pod kątem 60 stopni. Każdy satelita zostanie wyposażony we własny laser i detektor oraz zwierciadła dla dwóch pozostałych. Oczywiście największym problemem będzie stabilizacja satelitów na orbicie i zachowanie stałej odległości między nimi, odizolowanie ich od zakłóceń grawitacyjnych, elektrycznych, magnetycznych, pochodzących od ciśnienia światła słonecznego itp. Gdy to się uda, cała formacja, kilkakrotnie większa od rozmiarów orbity Księżyca, będzie mogła rejestrować nie tylko układy podwójne gwiazd neutronowych czy czarnych dziur, zlewanie się czarnych dziur i kolapsy masywnych gwiazd, ale także reliktowe promieniowanie grawitacyjne z okresu wczesnego Wszechświata. Ten ostatni rodzaj fal grawitacyjnych umożliwiłby wgląd we wcześniejszą fazę ewolucji Wszechświata, niż pozwala na to mikrofalowe promieniowanie tła. W porównaniu z innymi interferometrami LISA będzie czuła na fale grawitacyjne o niskich częstotliwościach. Tym samym nowe okno obserwacyjne astronomii zostanie otwarte na dobre i dane będą nadchodzić regularnie.