Fale grawitacyjne – nowe okno na Wszechświat?
Ogólna teoria względności Einsteina pozostaje naszym najlepszym wytłumaczeniem zjawiska grawitacji, lecz jest niezwykle mało obserwacji na jej potwierdzenie. Spowodowane jest to faktem, że teoria względności Einsteina różni się znacznie od starej, dobrej grawitacji Isaaca Newtona jedynie w kilku niecodziennych sytuacjach (na przykład zakrzywienie promienia świetlnego przechodzącego w sąsiedztwie Słońca). Oznacza to, że naukowcy są gotowi zawsze na przyjęcie nowych sposobów testowania tej teorii.
Jedno z przewidywań teorii, które może być w zasadzie testowane w laboratoriach ziemskich, wiąże się z czymś, co nazywa się falami grawitacyjnymi. Ilekroć jakaś masa się porusza, stwierdza teoria, szereg fal – niewielkich fluktuacji siły grawitacyjnej – rozchodzi się od tej masy, podobnie jak fale na wodzie rozchodzą się od zaburzenia powstającego po wrzuceniu kamienia. Fala grawitacyjna tworząca się podczas machania ręką w powietrzu jest o wiele za mała do zmierzenia, ale zdarzenia, w których mamy do czynienia z szybkimi ruchami olbrzymich mas, jak to bywa na przykład przy zapadaniu się supernowej, powinny wywołać wykrywalne dla nas fale.
Podam przykład, który pomoże uzmysłowić sobie to szczególne poszukiwanie. Wyobraźmy sobie długą, pustą w środku, giętką rurę leżącą na powierzchni stawu. Jeśli wrzucimy do wody kamień, rura ta pod wpływem przechodzących fal zacznie falować. Obserwując rurę, można wykryć istnienie fal, nawet jeśli nie można zobaczyć wody.
W podobny sposób zmiany w rurze mogą sygnalizować przejście fali grawitacyjnej. Jednak zamiast falować, rura wykazywałaby obecność fali grawitacyjnej poprzez zmiany kształtu swojego przekroju. Jeśli spojrzymy na rurę od jej końca, powinniśmy dostrzec zmiany jej przekroju kołowego w elipsę z wielką osią ustawioną pionowo, ponownie w koło, następnie w elipsę z wielką osią ustawioną poziomo, znów w koło i tak dalej.
W pierwszych (nie zakończonych powodzeniem) próbach wykrycia fal grawitacyjnych w latach 70. i 80. w roli naszej plastikowej rury występowały wielkie metalowe cylindry. Były one gęsto oprzyrządowane w celu ciągłej obserwacji zmian kształtu, lecz doświadczenia te zakończyły się ostatecznie niepowodzeniem, gdyż skutki okazały się zbyt nikłe do wykrycia. Spodziewane odchylenia od przekroju kołowego cylindra były, na przykład, mniejsze od średnicy pojedynczego atomu!
W eksperymentach o tak dużej czułości decydującą rolę odgrywają drgania dochodzące z otoczenia. Trzaśnięcie drzwi, przejeżdżające obok samochody, nawet podmuchy wiatru uderzające o budynek mogą wywoływać wibracje metalowego cylindra, a te łatwo mogą być brane za skutek przejścia fal grawitacyjnych. W celu eliminacji tego rodzaju „szumu” naukowcy dokładają ogromnych starań, aby odizolować aparaturę pomiarową od otoczenia – przyrząd jest umieszczany zazwyczaj na grubym gumowym pochłaniaczu wstrząsów, położonym na marmurowej płycie umieszczonej (w miarę możliwości) na podłożu skalnym nie związanym w żaden sposób z budynkiem. Przeprowadza się jednocześnie dwa takie doświadczenia w miejscach od siebie oddalonych, w nadziei, że szum powstający w jednym miejscu nie pojawi się w drugim.
W 1994 roku w Hanford w stanie Waszyngton rozpoczęły się roboty ziemne związane z doświadczeniami nowej generacji w detekcji fal grawitacyjnych. Metoda ich wykrywania w tym kosztującym 250 milionów dolarów projekcie jest bardziej skomplikowana niż w przypadku zwykłego metalowego cylindra. Roboczą część detektora stanowi para długich na 4 kilometry metalowych rur, umieszczonych względem siebie pod kątem prostym. Wewnątrz rur panuje wysoka próżnia, a na końcu każdej z nich, w. komorze odizolowanej od drgań, znajduje się masa testowa. Wyobraźmy sobie te dwie masy testowe jako odseparowane od siebie kawałki metalowego „cylindra” długości i średnicy 4 kilometrów. Zmiany przekroju opisane powyżej będą się w tym przyrządzie przejawiały jako niewielkie zmiany położenia tych dwóch mas względem siebie.
W działającym układzie promień światła laserowego będzie przechodził przez zwierciadło półprzepuszczalne w taki sposób, że rozdzieli się na dwa promienie, z których każdy przemierzy jedno z dwóch ramion. Oba promienie odbiją się od mas testowych, powrócą wzdłuż rur i nałożą się na siebie. Wykrywając niewielkie przesunięcia we względnych położeniach grzbietów fal świetlnych, fizycy będą mogli śledzić drobne zmiany położenia mas testowych. Urządzenie tego rodzaju zwane jest interferometrem (ponieważ te dwa promienie interferują ze sobą), a cały projekt nazywa się LIGO (Laser Interferometer Gravitational Observatory – Obserwatorium Grawitacyjne z Interferometrem Laserowym). Drugi taki przyrząd będzie zbudowany w Luizjanie, by stanowić dodatkowe zabezpieczenie przeciw zakłóceniom omawianym wcześniej.
Wraz z tymi obserwatoriami otworzy się całkowicie nowe okno na Wszechświat. Będziemy mogli „ujrzeć” fale grawitacyjne emitowane nie tylko przez supernowe, lecz również przez układy gwiazd, których składniki krążą wokół siebie, oscylujące czarne dziury, materię spadającą na gwiazdy neutronowe i wpadającą do czarnych dziur oraz całą menażerię niezwykłych gwiezdnych bestii. Za każdym razem, gdy w przeszłości otwieraliśmy nowe okno na Wszechświat – na przykład obserwatoria satelitarne – odkrywaliśmy coś nowego i wspaniałego. Po LIGO spodziewam się emocji tego samego rodzaju.