Ma na imię LISA. Dzięki niej dowiemy się, jak wyglądała pierwsza sekunda Wszechświata

Za piętnaście lat Ziemia nie będzie okrążała Słońca jedynie w towarzystwie Księżyca. 50 mln km za nią ma podążać składające się z trzech elementów niezwykłe obserwatorium. Każdy z tych elementów – takiego samego satelitę – będzie dzieliło od pozostałych dokładnie 2,5 mln km. Formacja ma tworzyć sunący za naszą planetą trójkąt równoboczny.

Satelity, stanowiące wierzchołki trójkąta, przez cały czas mają utrzymywać identyczny dystans. Słowo „identyczny” odnosi się tu do wielkości rzędu o wiele poniżej milimetra. Eksperyment będzie wymagał, by odległość między satelitami – choć wynosząca sześć razy tyle ile odległość Ziemia-Księżyc – była mierzona z dokładnością do 20 pikometrów. Czyli tylko nieco więcej niż wynosi średnica atomu.

Wewnątrz każdego satelity mają znajdować się dwa sześciany ze stopu złota i platyny. Złoto-platynowe sześciany będą się swobodnie unosić w specjalnym pojemniku. Pojemnik ma eliminować jakikolwiek wpływ zewnętrzny, jaki mógłby pochodzić z otoczenia. Na sześciany, serce detektora LISA, ma działać tylko jeden czynnik. Będzie nim grawitacja.

„NIEDZIELA CIĘ ZASKOCZY” to cykl OKO.press na najspokojniejszy dzień tygodnia. Chcemy zaoferować naszym Czytelniczkom i Czytelnikom „pożywienie dla myśli” – analizy, wywiady, reportaże i multimedia, które pokazują znane tematy z innej strony, wytrącają nasze myślenie z utartych ścieżek, zaskakują właśnie

Najszybciej przyznany Nobel z fizyki

Na Nagrodę Nobla zazwyczaj czeka się latami. Zdarza się nawet, że zanim Komitet Noblowski zdecyduje się uhonorować nią naukowca, od jego badań mijają dziesięciolecia. Jednak nagrody Nobla z fizyki przyznane w 2017 roku stanowiły zaprzeczenie tej reguły.

14 września 2015 roku dwa przyrządy składające się na detektor LIGO po raz pierwszy zarejestrowały przechodzące przez Ziemię fale grawitacyjne. Ich źródłem było zlanie się dwóch czarnych dziur. Za to dokonanie Nobla z fizyki otrzymali Kip Thorne, Rainer Weiss i Barry Barish. Thorne został uhonorowany za opracowanie teorii fal grawitacyjnych, Weiss za wynalezienie techniki laserowej użytej w LIGO, zaś Barish za realizację projektu budowy detektora.

Tak szybkie przyznanie Nobli było w tym przypadku zrozumiałe. Prace – zarówno teoretyczne, jak i techniczne – nad detektorami fal grawitacyjnych trwały już od kilkudziesięciu lat. Zaś samo ich istnienie zapowiadała ogólna teoria względności Alberta Einsteina z 1916 roku.

Co to właściwie jest grawitacja?

Ogólna teoria względności opisywała grawitację jako sposób, w jaki materia zakrzywia czasoprzestrzeń. Co to oznacza? By wyjaśnić, czym jest grawitacja, zazwyczaj przywołuje się obraz dwuwymiarowej płachty. Jeśli rozciągniemy ją jak prześcieradło, a następnie wrzucimy na nią kule różnej wielkości, płachta się ugnie. Większe kule znajdą się w największym „dołku”, mniejsze zostaną zaś przyciągnięte do większych.

Podobne zjawisko zachodzi w każdej sekundzie w całym kosmosie. Z tym że zamiast dwuwymiarowej płachty mamy czasoprzestrzeń składającą się z trzech wymiarów przestrzennych i jednego czasowego. Grawitacja zmienia kształt czasoprzestrzeni.

Załóżmy, że wrzucamy na naszą płachtę dwie kule. Przez chwilę będzie ona falowała. Odpowiednikiem tych fal w czterowymiarowej rzeczywistości są fale grawitacyjne. Powstają, gdy we Wszechświecie dochodzi do najbardziej spektakularnych zdarzeń – takich jak połączenie się czarnych dziur albo zlanie gwiazd neutronowych.

Energia trzech mas Słońca

– Przed 2015 rokiem nikt nie przypuszczał, że jako pierwsze zostaną zarejestrowane fale grawitacyjne, będące efektem połączenia się czarnych dziur – opowiada dr Adam Zadrożny z Narodowego Centrum Badań Jądrowych. – Obstawiano, że będzie to zlanie się dwóch gwiazd neutronowych albo zlanie się gwiazdy neutronowej i czarnej dziury. Uznano, że zlanie się dwóch czarnych dziur to jest bardzo rzadki przypadek. Jednak, jak się okazało, wszyscy się mylili. Wszyscy, z wyjątkiem dwóch Polaków: prof. Krzysztofa Belczyńskiego i prof. Tomasza Bulika. Belczyński i Bulik jako jedyni przewidzieli, że w pierwszej rundzie obserwacyjnej LIGO wykryjemy połączenie się dwóch czarnych dziur o masach pomiędzy 20 a 40 mas Słońca – mówi dr Zadrożny.

Do zdarzenia doszło w galaktyce odległej od nas o 1,5 mln lat świetlnych. Jak dokładnie wyglądało? „Dwie czarne dziury wykonywały wokół siebie ostatnie okrążenia, spadając po spirali w kierunku środka masy układu z coraz większą prędkością orbitalną” – opisuje w książce „Wszechświat. Biografia” astronom Paul Mudrin. „Fale grawitacyjne przeniosły sygnał o częstotliwości zwiększającej się od 35 do 250 drgań na sekundę. Odpowiadał on szybkiemu zmniejszaniu się okresu orbitalnego zbliżających się do siebie czarnych dziur. W końcu oba obiekty zetknęły się i połączyły w jeden”.

– Były to czarne dziury o masach odpowiednio 30 i 35 mas Słońca. Wynikowa czarna dziura miała 62 masy Słońca. Trzy masy Słońca, których brakowało, zostały przekształcone w energię i w postaci fal grawitacyjnych wyemitowane w kosmos – wyjaśnia dr Adam Zadrożny.

Detekcja fal grawitacyjnych polega na zmierzeniu odległości między tzw. masami testowymi. W LISA będą to złote kostki, w LIGO są to lustra. Fala grawitacyjna dosłownie skraca przestrzeń: zmniejsza dystans między masami testowymi. Jakiego rzędu jest ta zmiana? Kiedy w 2015 roku „zmarszczka” czasoprzestrzeni dotarła do Ziemi, skróciła czterokilometrowe ramię detektora LIGO o jedną tysięczną średnicy protonu.

O czym mówi nam grawitacja?

W 2017 roku nastąpił kolejny przełom: zarejestrowano po raz pierwszy zlanie się gwiazd neutronowych. Od tej pory wykryto fale grawitacyjne już kilkadziesiąt razy. Naukowcy korzystają na razie z naziemnych detektorów. Poza LIGO składającym się z dwóch identycznych urządzeń znajdujących się w Hanford w stanie Waszyngton i w Livingston w stanie Luizjana, są to pracujący koło Pizy VIRGO i japoński podziemny detektor KAGRA.

„Użycie wielu detektorów rozmieszczonych w różnych punktach globu pozwala odróżnić zdarzenia kosmiczne od zaburzeń lokalnych, takich jak wstrząsy Ziemi” – pisze Paul Muldrin. „Ponadto, gdy fale grawitacyjne przelatują przez Ziemię, docierają do kolejnych detektorów w różnych chwilach. Dzięki temu uczeni mogą określić w przybliżeniu kierunek, z którego przybyły”.

Pojawiające się fale grawitacyjne, które rejestrujemy, w każdym przypadku są efektem jakiegoś potężnego kosmicznego zjawiska, do jakiego dochodzi w nieraz bardzo odległych galaktykach. Jednak mogą informować nie tylko o pojedynczych zdarzeniach, takich jak połączenie się czarnych dziur. Jeszcze w zeszłym wieku astrofizyk Aleksiej Starobinski opracował teorię wskazującą, że do powstania fal grawitacyjnych mogło dojść już w momencie Wielkiego Wybuchu.

Jak powstał Wszechświat?

Teorie opisujące początek Wszechświata odsyłają nas 13,8 mld lat wstecz. Tuż po Wielkim Wybuchu wszystkie siły przyrody były połączone w jedną zunifikowaną siłę, a wymiary przestrzenne zlewały się z czasem. Powstanie Wszechświata związane jest z wytworzeniem się gigantycznych energii i ogromnego ciśnienia. Już w pierwszej sekundzie swojego istnienia pod wpływem tego ciśnienia kosmos zaczął się rozszerzać. Poszczególne oddziaływania oddzieliły się od siebie, a jako pierwsza wyodrębniła się z nich grawitacja. Szacuje się, że stało się to ok. 10<-32> s po Wielkim Wybuchu.

Ten etap powstawania Wszechświata opisuje m.in. teoria inflacji opracowana przez Alana Gutha w 1981 roku. Zakłada ona, że w pierwszej chwili istnienia Wszechświat dosłownie eksplodował. W ułamku sekundy powiększył się o gigantyczny czynnik rzędu 10<26>. Jednak hipoteza ta nie jest potwierdzona eksperymentalnie. Pierwszy pewny obraz Wszechświata, jaki mamy, jest znacznie późniejszy. Dostarcza go tzw. mikrofalowe promieniowanie tła, które zostało wyemitowane dopiero ok. 380 tys. lat po Wielkim Wybuchu.

Jak zarejestrowano mikrofalowe promieniowanie tła?

Mikrofalowe promieniowanie tła odkryto w 1965 roku. Dokonali tego Arno Penzias i Robert Wilson, za co w 1978 roku otrzymali Nagrody Nobla.

Trzynaście lat wcześniej trzydziestodwuletni Penzias i dwudziestodziewięcioletni Wilson pracowali jako radiofizycy w oddziale Laboratoriów Bella w Holmdel w stanie New Jersey. Prowadzili badania z użyciem bardzo czułej anteny odbiorczej. Niestety, z nieznanych powodów antena ciągle rejestrowała niezidentyfikowany szum. Naukowcy podejrzewali, że sprzęt zanieczyściły gołębie.

Penzias i Wilson przeszli od rozwiązań przyziemnych do kreatywnych. Przypomnieli sobie o teorii fizyka George'a Gamowa, który przewidział, że Wielki Wybuch mógł pozostawić po sobie echo. Jak się okazało, to właśnie je wyłapywała ich antena. Szum nie był efektem działania gołębi, ale słabym promieniowaniem elektromagnetycznym, rejestrowanym w zakresie mikrofal, obecnym w całym Wszechświecie.

Od osiągnięcia Penziasa i Wilsona – a także od wyników uzyskanych w 1992 roku przez satelitę COBE, które poprawiły ich pracę – minęło kilkadziesiąt lat. W tym okresie rozwinęła się astronomia fal grawitacyjnych. Zarazem pojawiła się szansa na przebicie osiągnięcia z Holmdel.

Co to jest tło fal grawitacyjnych

Szansa ta wiąże się z powstaniem koncepcji tła fal grawitacyjnych – analogicznego do mikrofalowego promieniowania tła. Mikrofalowe promieniowanie tła to pozostałość po pierwszym świetle, jakie pojawiło się w kosmosie. Wypełnia cały Wszechświat i dociera do Ziemi z każdego kierunku. O tle fal grawitacyjnych można natomiast pomyśleć jako o nieustających drobnych zniekształceniach czasoprzestrzeni, od których w każdej chwili drży kosmos.

Tło fal grawitacyjnych ma dwie składowe. – Jak każde tło astronomiczne, to jest albo promieniowanie z wielu obiektów, których nie jesteśmy w stanie rozdzielić, albo promieniowanie pochodzące z bardzo wczesnych etapów Wszechświata – wyjaśnia prof. Tomasz Bulik z Uniwersytetu Warszawskiego.

W kosmosie bardzo często występują tak spektakularne zjawiska, jak to zarejestrowane przez LIGO w 2015 roku. – We Wszechświecie raz na minutę dochodzi do zlania się gwiazd neutronowych albo czarnych dziur – mówi prof. Bulik. – Jednoczesnego promieniowania grawitacyjnego tych obiektów jest więc bardzo dużo – dodaje. Składa się ono na pierwszy rodzaj tła fal grawitacyjnych.

Pierwsza sekunda Wszechświata

Jednak oprócz tego drżenia może istnieć jeszcze inne tło, o wiele słabsze i znacznie, znacznie starsze. To tzw. kosmologiczne tło grawitacyjne, powstałe w pierwszej sekundzie po Wielkim Wybuchu. Konkretnie właśnie w 10<-32> s, na zakończenie etapu inflacji.

Gdybyśmy je wykryli, moglibyśmy poznać stan Wszechświata w momencie, który nie jest osiągalny dla obserwacji elektromagnetycznych.

– Tło fal grawitacyjnych mówi o początku Wszechświata – wyjaśnia prof. Andrzej Królak z Instytutu Matematycznego PAN i Narodowego Centrum Badań Jądrowych. – Gdyby udało się zarejestrować takie sygnały, powiedziałyby nam, jak nasz Wszechświat powstał i jak ewoluował w tych pierwszych ułamkach sekundy od Wielkiego Wybuchu – mówi naukowiec.

– Wyjaśniłoby się również, czy teoria inflacji jest w ogóle prawdziwa – dodaje prof. Bulik. Dotychczas bowiem nie ma co do tego konsensusu. Jednym z krytyków teorii Gutha jest np. światowej sławy astrofizyk Roger Penrose.

Jak zarejestrować tło fal grawitacyjnych?

Poszukiwanie tła fal grawitacyjnych trwa od wielu lat. Na razie jednak jest bezowocne. Żaden z obu rodzajów tła grawitacyjnego – ani szum pochodzący ze zlewania się czarnych dziur czy gwiazd neutronowych, ani najstarsze echo Wszechświata – nie został dotychczas zarejestrowany.

Przewiduje się, że znacznie łatwiej będzie wykryć tło pochodzące ze zlewających się w kosmosie ogromnych obiektów. Naukowcy mają nadzieję, że ten rodzaj tła zostanie wykryty z pomocą już istniejących detektorów w ciągu najbliższych pięciu lat.

- Trudność polega na tym, że obecne teorie nie opisują precyzyjnie sygnału z początku Wszechświata – mówi prof. Królak. - Istnieje mnóstwo teorii i hipotez, z których się wylicza, jaki ten sygnał powinien być. Jednak on może okazać się np. nawet sto razy słabszy, niż się przewiduje. Dlatego trudno powiedzieć, kiedy zostanie wykryty.

Coraz więcej detektorów

Docierające do Ziemi fale grawitacyjne są nadzwyczaj słabe. By wykrywać fale pochodzące z coraz dalej położonych źródeł, działające już detektory są regularnie wyłączane i ulepszane. – Wewnątrz montowane są lepsze lustra, mocniejsze lasery, bardziej wyrafinowane techniki izolacji szumów. W maju, po przerwie, znów zaczną działać LIGO, VIRGO i KAGRA. Będą jeszcze bardziej czułe i będą wykrywać jeszcze więcej sygnałów – mówi prof. Królak.

Oprócz tego w planach jest budowa kolejnych tego rodzaju urządzeń. W Stanach Zjednoczonych ma powstać największym na świecie detektor naziemny Cosmic Explorer. Podobnie jak LIGO ma mieć kształt litery L, jednak ramiona tego giganta będą mierzyć 40 km. Z kolei Europa przygotowuje się do budowy podziemnego detektora nazwanego nieco mylnie Einstein Telescope. Podobnie jak LISA ma on mieć kształt trójkąta, z dwoma detektorami na końcach każdego z boków długości 10 km.

LISA, która dopełni sieci detektorów, ma zacząć działać w 2037 roku. Poruszająca się po okołosłonecznej orbicie formacja trzech satelitów będzie obserwować Wszechświat w zakresie częstotliwości trzy-cztery rzędy wielkości niższych niż LIGO i VIRGO. Naukowcy mają nadzieję, że dzięki temu wykryje fale grawitacyjne będące efektem zderzeń supermasywnych czarnych dziur. A także tło fal grawitacyjnych pochodzące z układów podwójnych białych karłów oraz tło związane z masywnymi układami podwójnych czarnych dziur.

Jednak, jak zastrzega prof. Bulik, będzie to trudny pomiar.

Pięć lat pracy kosmicznego detektora

Trudne jest też już samo wyobrażenie sobie skali wyzwania. W przypadku LISY, przypomnijmy, mowa jest o mierzeniu odległości między satelitami odległymi o 2,5 mln km z dokładnością do pikometrów. – Mówiąc dokładniej, niezbędny będzie pomiar położenia kostek wewnątrz pojemnika plus pomiar odległości pomiędzy satelitami – wyjaśnia prof. Bulik.

To nie koniec trudności. – W idealnym świecie satelita poruszałby się tak samo jak ta kostka, natomiast świat nie jest idealny – na satelitę wpływ będzie miało m.in. ciśnienie promieniowania i kilka innych czynników – mówi prof. Bulik. W związku z tym satelita musi korygować swój kurs, tak by podążać za wolno płynącą w przestrzeni kostką. A to oznacza, że czas pracy LISY będzie ograniczony.

Obserwatorium to będzie działało tylko 4-5 lat: tyle, na ile wystarczy paliwa niezbędnego do korekcji położenia satelitów.

Polacy od dawna związani są z badaniami fal grawitacyjnych. Do pierwszej rejestracji fal grawitacyjnych przyczyniło się 15 polskich naukowców, pracujących w grupie POLGRAW - m.in. z Uniwersytetu Warszawskiego, z Instytutu Matematycznego PAN, z Narodowego Centrum Badań Jądrowych. Istnieje duża szansa, że będziemy mieli swój udział również w powstaniu detektora LISA. – Obecnie powstaje w Polsce konsorcjum LISA Polska – mówi prof. Tomasz Bulik. – Rozmawiamy z ESA na temat budowy części tego obserwatorium w naszym kraju.