Aktualności
Badania
20 Października
Opublikowano: 2017-10-20

Archeologia wszechświata

Istotą ogłoszonej w 1916 roku przez Alberta Einsteina ogólnej teorii względności było twierdzenie, że siła grawitacji wynika z zakrzywienia czasoprzestrzeni wywołanego przez zniekształcającą ją masę. Z obliczeń wynikało, że na czasoprzestrzeni pewne zjawiska mogą wywoływać zmarszczki przemieszczające się z prędkością światła. Te zmarszczki to fale grawitacyjne.

14 września 2015 roku do Ziemi dotarł i został zarejestrowany wstrząs czasoprzestrzeni wywołany zderzeniem dwóch czarnych dziur. To były tylko ułamki sekund na naszej skali czasowej. Za odkrycie tych fal w detektorach LIGO/VIRGO Rainer Weiss, Barry C. Barish oraz Kip S. Thorne otrzymali w tym roku nagrodę Nobla w dzidzie fizyki. To odkrycie otworzyło kolejny etap w badaniach historii wszechświata. A zaraz potem…

Bliżej i efektowniej

17 sierpnia tego roku detektory LIGO/VIRGO oraz około 70 innych obserwatoriów na świecie zarejestrowały nie tylko fale grawitacyjne, ale także fotony o różnych energiach, efekt rozbłysku gamma, jaki towarzyszył połączeniu się dwóch gwiazd neutronowych. Znalazły się one bardzo blisko siebie. Blisko, czyli ok. 300 km. Zwiększając swoją szybkość zbliżały się coraz bardziej. Ten ruch odkształcał czasoprzestrzeń w ich sąsiedztwie, uwalniając coraz więcej energii w postaci fal grawitacyjnych, które zostały zarejestrowane. W momencie kiedy gwiazdy połączyły się w jeden obiekt w postaci ognistej kuli, emitowały promieniowanie gamma, które także zostało zarejestrowane na Ziemi.

Rejestracja czasu nadejścia fali fotonów po rozbłysku w porównaniu z czasem detekcji fal grawitacyjnych potwierdziła przewidywanie teorii grawitacji Einsteina, że fale grawitacyjne propagują się z prędkością światła. Efektem zderzenia dwóch gwiazd jest nie tylko ich połączenie, ale powstaje wówczas tzw. kilonowa – spowodowana przez rozpad promieniotwórczy. W przestrzeń kosmiczną zostają wyrzucone tzw. pierwiastki ciężkie: ołów, złoto czy uran.

Nowe odkrycie astrofizyków było przedmiotem konferencji zorganizowanej przez PAN 17 października. Tego właśnie dnia w Waszyngtonie France A. Córdova, dyrektor Narodowej Fundacji Nauki (NSF) – uczestnicy konferencji mieli okazje uczestniczyć w tym dzięki transmisji online – poinformowała oficjalnie o tym, że 17 sierpnia doszło do kolejnej detekcji fal grawitacyjnych, czyli zmarszczek czasoprzestrzeni, odebranych przez detektory LIGO zlokalizowane w stanie Waszyngton i Luizjana oraz detektor VIRGO we włoskiej Pizie. Wysłany do obserwatoriów na całym świcie alert spowodował, że uczni zaczęli szukać tego zjawiska w kosmosie za pomocą tradycyjnych teleskopów. Obserwatorium Fermiego, będące częścią NASA, zarejestrowało krótki rozbłysk promieni gamma.

Łut szczęścia? Nie, to efekt wielu lat pracy uczonych, którzy zarówno przy pomocy tradycyjnych obserwatoriów naziemnych, jak i satelitarnych, sieci obserwatoriów grawitacyjnych, które w połączeniu z teleskopami rejestrują fotony o różnych częstotliwościach, było możliwe. Technologia coraz lepiej pozwala nam „słuchać” i „widzieć” to, co się zdarzyło we Wszechświecie. Zdarzyło, bowiem te odkrycia to trochę jak archeologia. Z szumów i rozbłysków wyłaniamy wiedzę o przeszłości Wszechświata. Przeszłości. Zderzenie dwóch czarnych dziur miało miejsce dawno i daleko – 1,3 mld lat świetlnych od nas. Połączenie dwóch gwiazd neutronowych, biorąc pod uwagę skalę, niemal blisko – ok. 130 mln lat temu.

Polskie akcenty

Zaobserwowane zjawisko dowodzi prawdziwości twierdzeń zawartych w ogólnej teorii względności Einsteina blisko 100 lat po jej ogłoszeniu. Ba, to nie wszystko. Są także istotne polskie akcenty. Prof. Bohdan Paczyński, polski astrofizyk, zmarły w 2007 r., w latach 80. ubiegłego wieku wysunął hipotezę o kosmologicznym pochodzeniu rozbłysków gamma. Przewidział także tzw. kilonową, spowodowaną przez rozpad promieniotwórczy – zjawisko występujące po połączeniu dwóch gwiazd neutronowych. W tym przypadku, jak to obrazowo przedstawił prof. Krzysztof Pełczyński z Centrum Astronomicznego im. M. Kopernika PAN, złota powstało tyle, ile równowartość masy 30 planet takich jak Ziemia.

Obserwatoria LIGO zostały sfinansowane przez NSF, detektor VIRGO jest finansowany przez Narodowy Instytut Fizyki we Włoszech i Narodowy Ośrodek Badań Naukowych we Francji, a zarządzany przez Europejskie Obserwatorium Grawitacyjne. Międzynarodową grupę VIRGO tworzą Francja, Hiszpania, Holandia, Polska, Węgry oraz Włochy. Ze strony polskiej to grupa Polgraw, której szefem jest prof. Andrzej Królak z Instytutu Matematycznego PAN, a także uczeni z Centrum Astronomicznego im. Mikołaja Kopernika PAN, Narodowego Centrum Badań Jądrowych, Instytutu Fizyki Jądrowej PAN, Uniwersytetu Warszawskiego, Uniwersytetu Zielonogórskiego, Uniwersytetu w Białymstoku i Uniwersytetu Jagiellońskiego.

Wiemy i wiemy czego nie wiemy

Czemu te dwa, nieodległe w naszej ziemskiej skali czasu, odkrycia są tak ważne?

– Obserwacje fal grawitacyjnych można wykorzystać do wyznaczenia stałej Hubble’a, czyli stałej określającej szybkość, z jaką rozszerza się Wszechświat, do określania pozostałości po zlaniu gwiazd neutronowych, do badania pochodzenia układu podwójnego i badania tła sygnałów fal grawitacyjnych pochodzących ze zlewania się gwiazd neutronowych – powiedział na konferencji prof. Królak. – Można ją także wykorzystać badając układu podwójne – gwiazdy neutronowe to zlewające się układy podwójne. Kiedy zaczynają się przyciągać i krążyć wokół siebie coraz szybciej, potem dochodzi do zlania, czyli zderzenia, któremu towarzyszy rozbłysk gamma – objaśnił.

Nie tylko pojawia się wówczas kilonowa. W gruncie rzeczy to potężny wyrzut w przestrzeń kosmiczną pierwiastków ciężkich. W latach dwudziestych ubiegłego wieku pojawiła się hipoteza, że pojawiają się one podczas śmierci gwiazd neutronowych, a ściślej towarzyszącej temu eksplozji. Teraz wiemy to na pewno. Czego jeszcze nie wiemy? Np. z czego zbudowane są gwiazdy neutronowe, najgęstsze stabilne obiekty w przestrzeni kosmicznej, których tak spektakularną śmierć mogliśmy „usłyszeć” i „zobaczyć”.

Nie wiemy także, skąd biorą się czarne dziury. Najistotniejsze jest jednak w tej kosmicznej archeologii stwierdzenie – jeszcze nie wiemy. Teraz, kiedy połączenie detekcji fal grawitacyjnych z tradycyjną obserwacją teleskopową stanie się astrofizyczną czy astronomiczna „normą”, wszystko przed nami.

Joanna Kosmalska

Dyskusja (0 komentarzy)