11.02.2016 roku ogłoszono zaobserwowanie na Ziemi fal grawitacyjnych, dzięki współpracy dwóch projektów – amerykańskiego LIGO i europejskiego VIRGO. Wyniki eksperymentu ogłoszono na konferencjach odbywających się równolegle w USA i we Włoszech. W Warszawie Polska Akademia Nauk zorganizowała swoją. W badaniach brali udział naukowcy z kilkunastu krajów – w tym z Polski.

Ich istnienie 100 lat temu przewidywał Albert Einstein w swojej ogólnej teorii względności, zgodnie z którą siła grawitacji wynika z zakrzywienia czasoprzestrzeni wywołanego przez zniekształcającą ją masę. Naukowiec mówił, że fale grawitacyjne powstają, gdy obiekty o olbrzymiej masie, np. czarne dziury, zderzają się ze sobą z ogromną prędkością.

Fala grawitacyjna to przemieszczająca się z prędkością światła zmarszczka czasoprzestrzeni, ich źródłem jest ciało poruszające się z przyspieszeniem. Gdy fala grawitacyjna przechodzi w pobliżu to obiekty wokół lekko kruczą się w jednym kierunku i rozciągają w drugim (nie jest to duże skurczenie/rozciągnięcie, mowa o wielkościach miliony razy mniejszych od rozmiarów protonu).

tcjkl.hires.GW.contrast

14.09.2015 r. dwa detektory LIGO (Laserowe Obserwatorium Interferometryczne Fal Grawitacyjnych), jeden w Luizjanie, drugi w Waszyngtonie, zarejestrowały niemal jednocześnie bardzo silny sygnał. „Sygnał, jaki zarejestrowaliśmy, trwał zaledwie 0,12 sekundy, ale był niezwykle wyraźny i zgadzał się bardzo dokładnie z modelami przewidzianymi przez ogólną teorię względności Einsteina” – powiedział prof. Królak, lider polskiej grupy naukowców uczestniczących w tym projekcie. Zanim jednak potwierdzono tę obserwację, musiała zostać ona dokładnie sprawdzona przez zespoły składające się z kilkuset naukowców z całego świata, w tym fizyków z Polski – grupę Polgraw.

e17_4_medium

Zapis zarejestrowanych przez detektory fal grawitacyjnych

Projekty LIGO i VIRGO dysponują detektorami fal grawitacyjnych, czyli ogromnymi interferometrami laserowymi. To urządzenia składające się z dwóch rur o długości 4 km każda i stykające się pod kątem prostym. Każde z ramion detektora zbudowane jest z betonowej rury o średnicy 2 m, w której wnętrzu znajduje się druga rura ze stali nierdzewnej, w której panuje niemal zupełna próżnia. W miejscu, w którym rury się łączą, umiejscowiony jest laser oraz rozdzielacz wiązki świetlnej. Dzięki rozdzielaczowi wiązka lasera zostaje rozdzielona i skierowana do obu ramion w tym samym czasie. Wiązki docierają do zwierciadeł umieszczonych na końcu każdej z rur. Aby osiągnąć maksymalną dokładność pomiaru promienie są odbijane tam i z powrotem około 100 razy, po czym zostają skierowane do fotodetektora. Następnie komputer porównuje obie wiązki lasera zarejestrowane w fotodetektorze i dzięki zjawisku interferencji wylicza różnicę dróg przebytych przez obydwie wiązki. Drogi te teoretycznie powinny być identyczne, ale jeżeli w czasie pomiaru przez Ziemię przejdzie fala grawitacyjna, wtedy jedno z ramion detektora będzie nieco dłuższe, co spowoduje, że jedna z wiązek dotrze do fotodetektora z niewielkim opóźnieniem.

Zaobserwowane przez fizyków fale grawitacyjne były już bardzo słabe, jednak pochodziły z wysokoenergetycznego zjawiska. Zjawisko to nastąpiło 1,3 mld lat temu, w odległej od nas o 1,3 mld lat świetlnych galaktyce. Dwie czarne dziury, jedna o masie 29, a druga 36 mas Słońca połączyły się. Utworzyły razem większą czarną dziurę, która miałaby masę 65 Słońc. Miałaby, gdyby nie to, że podczas połączenia masa równa trzem masom Słońca zamieniła się w energię w postaci fal grawitacyjnych. Jak dużo to 3 masy Słońca można przekonać się, wykorzystując chyba najsłynniejszy wzór świata, mówiący o równoważności masy i energii.

Black_Hole_Merger

Czarne dziury, wirując wokół siebie wytwarzały fale grawitacyjne, co pochłaniało ich energię. W efekcie zbliżały się do siebie coraz bardziej, wirując coraz szybciej. To powoduje, że wytwarzane fale grawitacyjne mają coraz wyższą częstotliwość i jest ich coraz więcej. A to znowu wywołuje szybszą utratę energii, dalsze zbliżanie się i dalszy wzrost częstotliwości. Rośnie ona coraz szybciej aż do momentu, gdy czarne dziury zleją się całkiem ze sobą. Taki proces pozostawia wyjątkowy ślad, który trudno pomylić z czymkolwiek innym. „To największa eksplozja, jaką zarejestrowaliśmy w historii. Kataklizm większy niż wybuchy supernowych, czy błyski gamma, tyle że praktycznie całą uwolnioną energię uniosły niewidoczne dla oka fale grawitacyjne” – twierdzi Michał Bejger, profesor w Centrum Astronomicznym im. M. Kopernika PAN w Warszawie.

To odkrycie prawdopodobnie pozwoli nam zajrzeć w miejsca, których dotychczas nie byliśmy w stanie dokładniej obserwować.

kosmos-reka-planety

 

źródło: crazynauka, http://physics.aps.org/articles/v9/17