Fale grawitacyjne

 Wczoraj(11.02.2016), ogłoszone zostało zaobserwowanie fal grawitacyjnych, których istnienie 100 lat temu przewidział Einstein za pomocą swojej teorii względności. Wydarzenie to obiegło wszystkie media i z pewnością będzie miało duży wkład w rozwój nauki.

Trochę o falach grawitacyjnych

Czy to pierwszy raz, kiedy obserwujemy fale grawitacyjne?

 Jednak nie jest to pierwszy raz, kiedy obserwujemy oddziaływanie fal grawitacyjnych.

Cofnijmy się do 1974 roku. Wtedy to Russell Hulse i Joseph Taylor zaobserwowali fale radiowe pochodzące z pulsara(obracająca się gwiazda neutronowa), który orbitował wokół innej gwiazdy neutronowej. Nazwali to "pulsarem binarnym"(pulsarem podwójnym).

Wizja artystyczna pulsara podwójnego PSR J0737-3039

Przez następne 8 lat, Taylor i Joel Weissberg badali zmiany odstępów czasowych między kolejnymi falami wysyłanymi przez pulsar, z czego wywnioskowali, że te dwie gwiazdy krążyły wokół siebie nawzajem z prędkością, jaką przewiduje teoria względności, spowodowaną przez straty energii za pośrednictwem fal grawitacyjnych. To odkrycie zaprezentowane w 1982 roku, było pierwszym przykładem istnienia fal grawitacyjnych. Hulse i Taylor, za odkrycie pulsara podwójnego, zostali nagrodzeni w 1993 roku Nagrodą Nobla.

 Russell Hulse i Joseph Taylor

Skąd biorą się fale grawitacyjne?

Fale grawitacyjne powstają w skutek przyśpieszenia obiektu, który posiada masę. Podobnie do fal elektromagnetycznych, które powstają poprzez przyśpieszanie cząstki obdarzonej ładunkiem. Fale grawitacyjne są jednak trudne do zaobserwowania w przypadku obiektów o małej masie i niskiej prędkości, dlatego próby ich obserwacji zwykle koncentrują się na masywnych gwiazdach lub czarnych dziurach, które krążą wokół siebie, co pozwala na osiągnięcie przez nie wysokich prędkości.

 Symulacja kolizji dwóch czarnych dziur z wizualizacją fal grawitacyjnych

LIGO,  VIRGO i GEO600

Czym są te dziwne nazwy?

LIGO, VIRGO i GEO600 to nic innego jak detektory fal grawitacyjnych. W tym wpisie skupię się głównie na LIGO.

Co to dokładnie jest LIGO i jak działa?

LIGO, czyli Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory(Laserowe Obserwatorium Interferometryczne Fal Grawitacyjnych) to instalacja, która pozwala na wykrycie fal grawitacyjnych, poprzez bardzo dokładny pomiar odchyleń między drogą pokonywaną przez wiązki lasera. Mówimy tu o dokładności rzędu 1/1000 średnicy protona(10^-19 m). LIGO ma kształt litery L, której ramiona mają po 4 km długości. Długość tych ramion może ulec zmianie na skutek przejścia przez nie fali grawitacyjnej właśnie o tą 1/1000 średnicy protona. Można to porównać do mierzenia szerokości Drogi Mlecznej z dokładnością do 1 metra.

 1/1000 średnicy protona

 LIGO w Livingston, Luizjana

 Teraz czas na zasadę działania.  Promień lasera, który zostaje wyemitowany,  najpierw jest rozdzielany na dwie wiązki i każda z nich wędruje do innego ramienia LIGO, na którego końcu znajduje się zwierciadło, które odbija  z powrotem wiązki(wiązki odbijają się około 100 razy). Następnie obydwie wiązki trafiają do interferometru, czyli urządzenia, które mierzy odchylenie między czasem dotarcia obydwu wiązek.

 Aby mieć pewność, że na pomiar nie wpływają czynniki zewnętrzne, które mogły by zafałszować pomiar, takie jak ruchy płyt tektonicznych, czy okoliczne drgania spowodowane przez przejeżdżające pojazdy, interferometr jest zamontowany na swego rodzaju amortyzatorze, który eliminuje zewnętrzne drgania. Kolejnym i myślę, że najważniejszym zabezpieczeniem tej instalacji jest istnienie bliźniaczego LIGO, który znajduje się 3 tysiące kilometrów dalej w Livingston w stanie Luizjana(ten pierwszy znajduję się w Richland w stanie Waszyngton).

 

 LIGO w Richland, Waszyngton

 

Pomiar uznaje się za prawdziwy, jeśli oba detektory wskażą ten sam wynik(oprócz wymienionych tu zabezpieczeń, istnieją inne, które pozwalają na uzyskanie na pewno poprawnego pomiaru).

  Fale grawitacyjne zarejestrowane przez LIGO i porównane

do przewidywanych przez teorię względności Einsteina

Skąd pochodziły fale grawitacyjne, które zaobserwowaliśmy?

Fale grawitacyjne, które zostały wykryte w LIGO, pochodziły ze zdarzenia, które miało miejsce,gdy na Ziemi dopiero rozwijało się życie wielokomórkowe, dokładniej około miliard lat temu. Było to zderzenie się dwóch czarnych dziur o masach około 29 i 36 mas słońca. Przed zderzeniem obiekty krążyły wokół siebie z prędkością równą około 50% prędkości światła!

Kolizja dwóch czarnych dziur

Energia fal grawitacyjnych, wyemitowanych podczas zdarzenia była równa 3 masom słońca. Dzięki temu, że na Ziemi znajdują się dwa detektory LIGO, jesteśmy w stanie określić w przybliżeniu, gdzie na niebie znajdowało się miejsce tego zdarzenia.

Przybliżona lokalizacja tego zdarzenia(fioletowy-90% pewności,

pomarańczowy-10%)

Przyszłość LIGO

Możemy być pewni, że LIGO i inne podobne instalacje odegrają ważną rolę w badaniu fal grawitacyjnych. W przyszłości planowana jest budowa kolejnych detektorów, między innymi w Indiach.

Detektory fal grawitacyjnych w przyszłości

(żółte-działające, zielone-w budowie, pomarańczowe-planowane)

Nie ograniczamy się jednak do instalacji naziemnych. LISA to projekt ESA, który będzie działał na podobnej zasadzie co detektory naziemne, z tym, że pomiar będzie się odbywał między trzema satelitami, które będą od siebie oddalone o około milion kilometrów(satelity będą się znajdować na wierzchołkach trójkąta, o boku właśnie miliona kilometrów). Pozwoli to na o wiele dokładniejszy pomiar fal grawitacyjnych(okres fal minuta-godzina, gdzie dla LIGO to 0.1-100 milisekund).

Lisa - wizja artystyczna

Ciekawostka! Częstotliwość fal grawitacyjnych wykrytych przez LIGO znajduje się w zakresie słyszalnym dla człowieka. Możemy więc "usłyszeć" tę falę. 

To był mój pierwszy post na tym blogu. Jeżeli macie jakieś uwagi lub pomysły na następny wpis, napiszcie w komentarzu. Dzięki!