Govert Schilling, jeden z najlepszych popularyzatorów astronomii, w książce “Zmarszczki czasoprzestrzeni” opisuje historie wykrycia fal grawitacyjnych z taką pasją, że trudno się oderwać od lektury.


Zmarszczki czasoprzestrzeniW odległym zakątku Wszechświata dwie masywne gwiazdy zakończyły życie w wybuchu supernowej. Pozostał po nich podwójny układ żarłocznych czarnych dziur. Krążąc wokół siebie, czarne dziury wytwarzały fale – niewielkie zmarszczki czasoprzestrzeni rozchodzące się z prędkością światła.

Fale unosiły ze sobą energię, a to sprawiało, że czarne dziury zbliżały się do siebie coraz bardziej. W końcu wykonywały kilkaset okrążeń na sekundę z prędkością liniową wynoszącą połowę prędkości światła, a potem w ostatnim rozbłysku czystej energii wpadły na siebie i stopiły się w jeden obiekt.

Rozpaczliwy krzyk umierających czarnych dziur w postaci fal grawitacyjnych dotarł do granic naszej Galaktyki po upływie 1,3 miliarda lat. Sto lat przed ich dotarciem do Ziemi, dwudziestosześcioletni Albert Einstein przewidział ich istnienie, ale musiało upłynąć jeszcze pół wieku, zanim ludzie zaczęli ich poszukiwać. Przewidywania Einsteina zostały ostatecznie potwierdzone w poniedziałek 14 września 2015 roku, o godzinie 9:50:45 czasu uniwersalnego.

Wykrycie fal grawitacyjnych jest niezwykle ważnym wydarzeniem, jednym z wielkich odkryć, równie istotnym jak odkrycie cząstki Higgsa. Na naszych oczach narodził się nowy rodzaj astronomii, zajmującej się badaniem dynamiki samej przestrzeni, a nie wypełniających ją obiektów materialnych.

Govert Schilling jest znanym na całym świecie holenderskim popularyzatorem astronomii. Jest redaktorem czasopisma „Sky & Telescope”, a jego artykuły ukazują się również w takich periodykach, jak „Science”, „New Scientist” i „BBC Sky at Night Magazine”. Napisał ponad pięćdziesiąt książek. W 2007 roku Międzynarodowa Unia Astronomiczna na jego cześć nadała planetoidzie 10986 nazwę Govert.

Govert Schilling
Zmarszczki czasoprzestrzeni. Einstein, fale grawitacyjne i przyszłość astronomii
Przekład: Bogumił Bieniok i Ewa Łokas
Seria: Wiedza i Życie – Orbity Nauki
Wydawnictwo Prószyński Media
Premiera: 27 lutego 2018
 
 

Zmarszczki czasoprzestrzeni


PRZEDMOWA

Einstein zajmuje zupełnie wyjątkowe miejsce w panteonie uczonych – i jak najbardziej zasłużenie. Jego odkrycia dotyczące przestrzeni i czasu całkowicie odmieniły nasze rozumienie grawitacji i kosmosu. Wszyscy kojarzymy go jako łagodnego, trochę zaniedbanego, sędziwego mędrca z plakatów i T-shirtów, ale prawda jest taka, że najważniejszych odkryć dokonał w młodości. Światową sławę zdobył jeszcze przed ukończeniem czterdziestu lat. Dwudziestego dziewiątego maja 1919 roku nastąpiło zaćmienie Słońca. Grupa uczonych pracujących pod kierunkiem astronoma Arthura Eddingtona przeprowadziła obserwacje gwiazd pojawiających się wtedy w pobliżu tarczy słonecznej. Z przeprowadzonych pomiarów wynikało, że ich położenie na niebie uległo przesunięciu na skutek zakrzywienia promieni światła w polu grawitacyjnym Słońca. Było to potwierdzeniem prawdziwości jednego z kluczowych przewidywań Einsteina. Gdy Towarzystwo Królewskie w Londynie ogłosiło wyniki tych badań, prasa na całym świecie szybko rozpropagowała nowinę. „Wszystkie światła na niebie są zakrzywione; teoria Einsteina triumfuje” – głosił nieco zbyt krzykliwy nagłówek w „New York Timesie”.
Ogólna teoria względności Einsteina, opublikowana w 1915 roku, jest triumfem ludzkiego geniuszu. Wynikające z niej wnioski mają jednak niewielkie znaczenie tu, na Ziemi. Teoria ta wymaga dokonania tylko niewielkich modyfikacji w zegarach używanych w nowoczesnych systemach nawigacji, ale prawa Newtona nadal w zupełności wystarczają, by wynosić na orbitę sondy kosmiczne i śledzić ich trajektorie.
Odkryte przez Einsteina wzajemne powiązanie przestrzeni i czasu – to, że „przestrzeń mówi materii, jak ma się poruszać, a materia mówi przestrzeni, jak ma się zakrzywiać” – ma natomiast kluczowe znaczenie dla wielu zjawisk kosmicznych. Trudno jest jednak sprawdzić poprawność teorii, z której wynikają wnioski tak oderwane od naszej codzienności. Przez niemal pół wieku od jej ogłoszenia ogólna teoria względności znajdowała się poza głównym nurtem badań fizycznych. Dopiero w latach sześćdziesiątych XX wieku zaczęły się pojawiać dowody potwierdzające, że Wielki Wybuch zapoczątkował rozszerzanie się Wszechświata, uczeni znaleźli też przesłanki przemawiające za istnieniem czarnych dziur – były to dwa ważne przewidywania wynikające z teorii Einsteina.
W lutym 2016 roku, niemal sto lat po słynnym spotkaniu Towarzystwa Królewskiego, na którym przedstawiono wyniki pomiarów wykonanych podczas zaćmienia Słońca, uczeni poinformowali świat o kolejnym odkryciu – tym razem w siedzibie Press Club w Waszyngtonie – jeszcze silniej potwierdzającym poprawność teorii Einsteina. Detektor LIGO (skrót od ang. Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory – obserwatorium fal grawitacyjnych wykorzystujące interferometr laserowy) zarejestrował przejście fal grawitacyjnych. Właśnie temu wydarzeniu poświęcona jest książka Goverta Schillinga. Autor opowiada w niej wspaniałą historię dziejącą się na przestrzeni ponad stu lat.
Einstein wyobrażał sobie oddziaływanie grawitacyjne jako „zakrzywienie” przestrzeni. Zawsze gdy zmienia się kształt ciał oddziałujących grawitacyjnie, dochodzi do wytworzenia zaburzeń w samej przestrzeni. Gdy tak powstałe fale przechodzą przez Ziemię, przestrzeń w naszym otoczeniu zaczyna „drgać” – na zmianę rozciąga się i kurczy. Jest to jednak bardzo mały efekt, a to dlatego, że oddziaływanie grawitacyjne jest niezwykle słabą siłą. Przyciąganie grawitacyjne otaczających nas przedmiotów jest zaniedbywalnie małe. Jeśli będziemy machać dwiema hantlami, to wytworzymy fale grawitacyjne, ale ich siła będzie nieskończenie mała. Nawet planety krążące wokół gwiazd, a także gwiazdy krążące wzajemnie wokół siebie nie wytwarzają fal grawitacyjnych na tyle silnych, by można je było wykryć.
Astronomowie są zgodni, że źródłem fal grawitacyjnych możliwych do wykrycia w detektorze LIGO mogłyby być jedynie obiekty o grawitacji dużo większej niż zwyczajne gwiazdy i planety. Największe nadzieje wiąże się ze zdarzeniami, w których biorą udział czarne dziury. Już niemal od pięćdziesięciu lat wiadomo, że czarne dziury istnieją – większość z nich to pozostałości po gwiazdach o masie co najmniej dwudziestokrotnie większej od masy Słońca. Gwiazdy takie świecą jasno, a w chwili ich śmierci dochodzi do wybuchu (widocznego jako supernowa), podczas którego ich wnętrze zapada się i dochodzi do powstania czarnej dziury. Materia tworząca kiedyś gwiazdę zostaje odcięta od reszty Wszechświata, pozostawiając grawitacyjny ślad w przestrzeni, którą opuściła.
Jeśli w jakimś zakątku kosmosu istnieją dwie czarne dziury tworzące układ podwójny, to muszą powoli opadać na siebie ruchem spiralnym. W miarę jak się do siebie zbliżają, otaczająca je przestrzeń ulega coraz większemu odkształceniu, aż w końcu dochodzi do ich połączenia i powstania jednej wirującej czarnej dziury. Na początku taka czarna dziura gwałtownie się chybocze i „dzwoni”, wytwarzając kolejne fale. Dopiero po pewnym czasie wszystko się uspokaja i zostaje jedna, zwyczajna czarna dziura. Detektor LIGO jest w stanie wykryć takie właśnie „brzęczenie” – drganie przestrzeni, które stopniowo przyspiesza i wzmaga się aż do chwili połączenia się czarnych dziur, a potem cichnie. Do takich katastrofalnych wydarzeń może dochodzić w naszej Galaktyce nie częściej niż raz na milion lat. Tego typu zdarzenia powinny jednak wysyłać sygnały możliwe do wykrycia przez LIGO nawet wtedy, gdy dochodzi do nich w odległości miliarda lat świetlnych, a w takim promieniu od nas znajdują się miliony galaktyk. Nawet w najbardziej sprzyjających okolicznościach wykrycie takiego zdarzenia wymaga jednak użycia niezwykle czułych – i bardzo kosztownych – urządzeń. W detektorze LIGO uczeni wysyłają silne wiązki laserowe wzdłuż czterokilometrowych rur wypełnionych próżnią i zakończonych lustrami. Analizując światło wiązek odbitych od zwierciadeł, mogą wykryć zmianę odległości między lustrami, a odległość ta powinna na przemian zwiększać się i maleć, gdy przestrzeń rozszerza się i kurczy. Amplituda takich drgań jest niezwykle mała – wynosi około 0,0000000000001 centymetra, a więc jest milion razy mniejsza od rozmiaru pojedynczego atomu. W projekcie LIGO uczeni wykorzystują dwa podobne detektory znajdujące się w odległości 3000 kilometrów od siebie – jeden działa w stanie Waszyngton, a drugi w Luizjanie. Pojedynczy detektor mógłby rejestrować mikrosejsmiczne zdarzenia, takie jak drgania wywołane przejechaniem w pobliżu ciężkiego pojazdu. Aby wykluczyć tego typu fałszywe alarmy, uczeni zwracają uwagę jedynie na zdarzenia sygnalizowane przez oba detektory.
Przez całe lata uczeni prowadzący badania za pomocą detektora LIGO nie wykryli zupełnie nic. Potem jednak zmodernizowano urządzenia i uruchomiono je ponownie we wrześniu 2015 roku. Po wielu latach frustracji badania przyniosły wreszcie oczekiwany efekt: wykryto drgania świadczące o zderzeniu się dwóch czarnych dziur odległych o ponad miliard lat świetlnych od nas. W ten sposób powstała zupełnie nowa dziedzina naukowa związana z badaniem dynamiki samej przestrzeni.
Niestety, czasami okazuje się, że głośne odkrycie naukowe jest pomyłką lub nie jest tak doniosłe, jak twierdzono – w tej książce znajdziemy opis i tego typu przypadków. Ja sam uważam siebie za trudnego do przekonania sceptyka, ale dowody przedstawione przez uczonych pracujących przy projekcie LIGO – będące zwieńczeniem dosłownie całych dziesięcioleci wytężonej pracy naukowców i inżynierów o doskonałych kwalifikacjach – są bardzo wiarygodne i sądzę, że tym razem uda im się w pełni mnie przekonać.
Wykrycie fal grawitacyjnych jest naprawdę ważnym wydarzeniem, jednym z wielkich odkryć tego dziesięciolecia, równie istotnym jak odkrycie cząstki Higgsa, które zyskało ogromny rozgłos w 2012 roku. Cząstka Higgsa była ostatnim brakującym elementem Modelu Standardowego fizyki cząstek, rozwijanego od kilku dziesięcioleci. Podobnie, istnienie fal grawitacyjnych – drgań tkanki samej przestrzeni – jest kluczowym, jednoznacznym wnioskiem wynikającym z ogólnej teorii względności Einsteina.
Peter Higgs przewidział istnienie cząstki nazywanej obecnie jego nazwiskiem już pięćdziesiąt lat temu, ale jej wykrycie – i określenie jej własności – stało się możliwe dopiero po osiągnięciu odpowiedniego poziomu rozwoju technicznego. Było do tego potrzebne ogromne urządzenie, Wielki Zderzacz Hadronów w Genewie. Istnienie fal grawitacyjnych przewidziano jeszcze wcześniej, ale nie mogliśmy ich wykryć, ponieważ wymaga to zmierzenia bardzo słabego efektu, a do tego również są potrzebne ogromne, niezwykle precyzyjne urządzenia.
Odkrycie to nie tylko stanowi zupełnie nowe potwierdzenie poprawności teorii Einsteina, ale poszerza też naszą wiedzę na temat gwiazd i galaktyk. Obserwacje astronomiczne dostarczyły nam niewiele informacji na temat czarnych dziur i masywnych gwiazd – bardzo trudno było przewidzieć, ile takich obiektów znajduje się w odpowiedniej odległości. Pesymiści sądzili, że tego typu zdarzenia mogą być tak rzadkie, że nawet nowy, ulepszony detektor LIGO niczego nie wykryje co najmniej przez najbliższe dwa lata. Oczywiście można twierdzić, że badaczom dopisało wyjątkowe szczęście, ale jeśli przyjmiemy, że tak nie było, dojdziemy do wniosku, iż oto na naszych oczach narodził się nowy rodzaj astronomii zajmującej się badaniem dynamiki samej przestrzeni, a nie wypełniających ją obiektów materialnych. Obecnie do grupy prowadzącej poszukiwania fal grawitacyjnych dołączyło wielu innych uczonych wykorzystujących detektory w Europie, Indiach i Japonii, ba, planuje się nawet umieszczenie odpowiedniej aparatury badawczej w przestrzeni kosmicznej.
Muszę jednak stwierdzić, że stanowczo zbyt wielu naukowców obawia się podjęcia trudu wyjaśnienia wysuwanych przez siebie idei i dokonywanych odkryć, sądząc, że są one zbyt zagmatwane i niezrozumiałe. Tak już niestety jest, że zawodowi uczeni wyrażają swoje idee za pomocą matematyki, która jest dla wielu ludzi językiem obcym. Na szczęście istnieją jeszcze odpowiednio uzdolnieni pisarze, którzy potrafią przedstawić najważniejsze idee, posługując się bardzo prostym językiem. Govert Schilling jest jednym z najlepszych z nich, a w tej książce przeszedł nawet samego siebie. Jego opowieść obejmuje okres ponad stu lat. Wyjaśnia w niej kluczowe pojęcia w sposób prosty i atrakcyjny, umieszczając je w odpowiednim kontekście historycznym. Zamieszcza również barwne sylwetki uczonych zaangażowanych w opisywane badania. Niektóre z tych osób były ogarnięte obsesją, ale to nie powinno nikogo dziwić – prawdę mówiąc, obsesja jest w gruncie rzeczy niezbędna do tego, by poświęcić całe lata, a nawet dekady, na prowadzenie badań bez jakiejkolwiek gwarancji sukcesu. W badaniach tych uczestniczyły setki specjalistów pracujących w różnych zespołach. Schilling opowiada o głośnych kontrowersjach, porażkach i zdumiewających osiągnięciach technicznych uczonych i inżynierów, którzy przez całe dziesięciolecia starali się osiągnąć niespotykaną dotąd dokładność pomiarów. Opisuje, jak w końcu odnieśli sukces, odkrywając ważne informacje na temat podstawowej natury przestrzeni i czasu. To wspaniała historia opowiedziana z tak ogromną pasją, że trudno się oderwać od lektury.
Martin Rees

WPROWADZENIE

Wokół żółtego karła na rubieżach jednej z galaktyk spiralnych krąży niewielka planeta powstała jakieś 3,3 miliarda lat temu w wyniku nagromadzenia się pyłu i drobin skalnych. Związki organiczne z przestrzeni kosmicznej przez długie lata spadały rzęsistym deszczem do letnich oceanów pokrywających tę błękitną planetę, aż wreszcie kiedyś połączyły się w samopowielające się cząsteczki. Teraz w wodach planety rozwijają się bujnie jednokomórkowe organizmy żywe. Już niedługo życie znajdzie sposób, by wydostać się na wciąż jeszcze jałowe kontynenty.
W innym zakątku tego ogromnego Wszechświata dwie niezwykle masywne gwiazdy zakończyły właśnie swe życie w gwałtownym wybuchu supernowej. Pozostał po nich silnie związany układ podwójny żarłocznych czarnych dziur, a każda z nich ma masę dziesiątki razy większą od masy owego odległego żółtego karła. Ich grawitacja wciąga każdą cząsteczkę gazu, każdą drobinę pyłu, która za bardzo się do nich zbliża, zakrzywia też promienie światła przebiegające w ich pobliżu. Nic nigdy nie zdoła się wydostać z silnego grawitacyjnego uścisku obu tych kosmicznych otchłani.
Krążąc po orbitach wokół siebie, czarne dziury wytwarzają fale – niewielkie zmarszczki w czasoprzestrzeni rozchodzące się z prędkością światła. Fale te unoszą ze sobą energię, a to sprawia, że czarne dziury zbliżają się do siebie coraz bardziej. W końcu dochodzi do tego, że w ciągu każdej sekundy wykonują kilkaset okrążeń z prędkością wynoszącą połowę prędkości światła. Czasoprzestrzeń jest gwałtownie rozciągana i ściskana, a maleńkie zaburzenia rozrastają się do rozmiaru ogromnych fal. I wreszcie, w ostatnim rozbłysku czystej energii, obie czarne dziury wpadają na siebie i stapiają się w jeden obiekt. W okolicy, w której doszło do tych dramatycznych wydarzeń, powraca spokój. Jednak ostatnie, potężne fale mkną dalej przez przestrzeń niczym tsunami.
Rozpaczliwy krzyk umierających czarnych dziur dociera do granic naszej galaktyki spiralnej dopiero po upływie 1,3 miliarda lat. W tym czasie fale znacznie osłabły i ich amplituda jest teraz o wiele mniejsza. Wciąż naprzemiennie przyciągają i odpychają wszystko na swojej drodze, ale nikt nie jest w stanie tego zauważyć. Powierzchnię błękitnej planety pokrywają teraz paprocie i drzewa. Uderzenie planetoidy doprowadziło do wyginięcia ogromnych gadów, a z jednej z wielu linii ssaków zamieszkujących tę planetę wykształciły się ciekawe świata dwunożne istoty.
Po minięciu zewnętrznych obszarów Drogi Mlecznej fale grawitacyjne powstałe podczas łączenia się odległych czarnych dziur potrzebują jeszcze tylko 100 tysięcy lat, by dotrzeć w pobliże Słońca i Ziemi. W czasie gdy tak pędzą w kierunku naszej planety z prędkością 300 tysięcy kilometrów na sekundę, ludzie zaczynają badać Wszechświat, którego są częścią. Szlifują soczewki do teleskopów, odkrywają nowe planety i księżyce, sporządzają mapę Drogi Mlecznej.
Sto lat przed dotarciem fal – gdy pokonały już 99,99999 procent swojej drogi o długości 1,3 miliarda lat świetlnych – dwudziestosześcioletni uczony o nazwisku Albert Einstein przewiduje ich istnienie, ale będzie musiało upłynąć jeszcze kolejne pół wieku, zanim ludzie zaczną na poważnie ich poszukiwać. W końcu, na początku XXI stulecia, detektory osiągają wreszcie odpowiednio dużą czułość. Zaledwie kilka dni po ich włączeniu rejestrują niewielkie drgania o amplitudzie dużo mniejszej od rozmiaru jądra atomowego.
W poniedziałek, 14 września 2015 roku, o godzinie 9:50:45 czasu uniwersalnego dochodzi do potwierdzenia przewidywania wysuniętego przez Einsteina przed stu laty. Astronomowie odbierają grawitacyjną wiadomość wysłaną dawno temu przez czarne dziury zderzające się ze sobą w odległej galaktyce.
Pierwsze w historii wykrycie fal grawitacyjnych zupełnie zasłużenie zostało uznane za jedno z największych osiągnięć naukowych nowego stulecia. Dzięki zmierzeniu kolejnych fal za pomocą jeszcze dokładniejszych urządzeń astronomowie będą mogli badać nasz burzliwy Wszechświat w zupełnie nowy sposób, a fizykom uda się być może wyjaśnić wreszcie tajemnice czasoprzestrzeni.
Pierwsza myśl o napisaniu tej książki zaświtała w mojej głowie już kilka lat przed uruchomieniem obecnej wersji detektora LIGO (skrót od ang. Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory – obserwatorium fal grawitacyjnych wykorzystujące interferometr laserowy). Czyż nie byłoby świetnie, pomyślałem, gdyby pierwsza obserwacja fal grawitacyjnych nastąpiła mniej więcej w tym czasie, gdy będę kończył maszynopis? Wtedy można byłoby wydać książkę tuż po ogłoszeniu odkrycia, rozszerzając ją o epilog opisujący najnowsze wyniki.