Fale grawitacyjne: powtórzenie wiedzy przed konferencją LIGO!

quadrupol

Już niedługo, już bardzo niedługo. Dzisiaj, 11 lutego o godzinie 16:30 najprawdopodobniej dowiemy się z jednej z kilku konferencji prasowych – z National Press Club w Waszyngtonie, w Hannowerze czy w Pizie – że udało się po raz pierwszy bezpośrednio zmierzyć fale grawitacyjne. Oznaczałoby to pierwsze bezpośrednie wykrycie delikatnych zaburzeń czasoprzestrzeni, przemieszczających się z prędkością światła, a po raz pierwszy postulowanych przez Alberta Einsteina dokładnie 100 lat temu.

Jeżeli jeszcze tego nie zrobiliście – czas powtórzyć wiedzę o falach grawitacyjnych. Poniższa wizualizacja może pomóc w zrozumieniu idei.gw-waves-wave

Mówiąc słowami słynnego fizyka relatywistycznego Johna Wheelera: teorię ogólnej względności można sprowadzić do dwóch zdań: Materia mówi przestrzeni i czasowi jak się zakrzywiać. Zakrzywione czas i przestrzeń mówią materii jak się poruszać.

Einstein opublikował ostateczną wersję swojej teorii w listopadzie 1915 roku. Już wiosną kolejnego roku zorientował się, że rezultatem zakrzywienia czasu i przestrzeni może być powstawanie fal grawitacyjncych będących rytmicznymi zaburzeniami czasoprzestrzeni poruszającymi się w przestrzeni kosmicznej z prędkością światła.

Przez jakiś czas fizycy nie byli pewni czy owe fale grawitacyjne są prawdziwe czy są tylko matematycznym artefaktem teorii Einsteina. Jednak od lat osiemdziesiątych XX wieku zaczęły pojawiać się pośrednie dowody na istnienie fal grawitacyjnych (przynosząc swoim odkrywcom nagrodę Nobla w 1993 roku).

Fale grawitacyjne emitowane są przez krążące wokół siebie ciała i określone inne przyspieszone masy. Aktualnie największe wysiłki skupiają się na próbach bezpośredniego zaobserwowania fal grawitacyjnych. Jeżeli to się uda naukowcy mają nadzieje wykorzystać fale do „przysłuchania się” najgwałtowniejszym procesom we Wszechświecie: łączeniu się czarnych dziur i/lub gwiazd neutronowych będących pozostałością po eksplozjach supernowej.

Tak jak zwykła astronomia wykorzystuje światło i inne formy promieniowania elektromagnetycznego do zbierania informacji o odległych obiektach, tak astronomia fal grawitacyjnych będzie odszyfrowywała informacje zawarte w falach grawitacyjnych. I jak słyszymy już od kilku miesięcy – być może dzisiaj dowiemy się, że epoka astronomii fal grawitacyjnych zaczęła się w połowie września 2015 roku.

Co robią fale grawitacyjne?

No właśnie – co robią fale grawitacyjne? Przyjrzyjmy się uproszczonej, czysto hipotetycznej sytuacji. (Poniższe informacje to informacje i animacje pierwotnie opublikowane na portalu Einstein Online). Rozważmy cząsteczki w przestrzeni znajdujące się daleko od jakiegokolwiek źródła grawitacji. Wyobraźmy sobie, że cząsteczki (czerwone) ułożone są w okrąg wokół środka (zaznaczonego na czarno).

gw-waves-single

Jeżeli przez ten obrazek przejdzie fala grawitacyjna zmierzająca bezpośrednio w Twoją stronę, odległości między tymi cząsteczkami zaczną się rytmicznie zmieniać – jak poniżej:

gw-waves-single

Zauważcie tutaj charakterystyczny schemat: gdy okrąg rozciągany jest w pionie, to ściskany jest w poziomie. To typowe dla fal grawitacyjnych (zaburzenie kwadrupolowe).

Ważne, abyście pamiętali, że ta animacja i wszelkie następne znacząco wyolbrzymiają efekt oddziaływania fal grawitacyjnych. Detektory fal grawitacyjnych takie jak LIGO mają nadzieję zmierzyć są dużo, dużo słabsze. Jeżeli nasz hipotetyczny okrąg cząsteczek były wielkości orbity Ziemi wokół Słońca (czyli jego średnica wynosiłaby 300 000 000 km), to fala grawitacyjna zniekształciłaby go o mniej niż średnicę atomu wodoru.

Fale grawitacyjne poruszające się w przestrzeni

Powyższa animacja przedstawiała tak zwaną oscylację grawitacyjną. Jednak aby dojrzeć całą falę, musimy do niej dodać trzeci wymiar.

O fali mówimy gdy oscylacje propagują się w przestrzeni. Spójrzmy na falę na plaży. W każdym punkcie powierzchni widzimy oscylację, gdzie poziom wody rytmicznie opada i się wznosi. Jednak dopiero fakt propagacji tej oscylacji robi z niej falę.

Tak samo jest z falami grawitacyjnymi. Aby się im przyjrzeć – zamiast patrzeć na pojedynczy okrąg swobodnie poruszających się cząsteczek, spójrzmy na cały szereg takich okręgów umieszczonych jeden za drugim w kształt cylindra:

gw-points

Na tym zdjęciu ciężko zorientować się, które punkty znajdują się na pierwszym, a które na dalszym planie. Połączmy zatem cząsteczki z ich najbliższymi sąsiadami niebieską linią i wypełnijmy obszary  między powstałymi liniami – dzięki temu geometria cylindra będzie bardziej przejrzysta:

gw-cylinder

Pamiętajmy przy tym, że ani linie, ani biaława powierzchnia między nimi nie są fizyczne – nadal mamy do czynienia ze swobodnie unoszącymi się cząsteczkami.

Zobaczmy teraz jak na taki zestaw cząsteczek będą oddziaływały przechodzące fale grawitacyjne. Z tej perspektywy fala przechodząca od prawej strony z tyłu, ku lewej stronie z przodu:

gw-waves-wave-1

Jak widzimy fala propaguje/przemieszcza się w przestrzeni. Punkt, w którym odległość w pionie między cząsteczkami jest największa, przemieszcza się w kierunku obserwatora. Natura falowa jest jeszcze wyraźniejsza jeżeli spojrzymy na ten cylinder całkowicie z boku:

gw-waves-side

Powyższe animacje przedstawiają tylko jeden rodzaj prostej fali grawitacyjnej („spolaryzowanej liniowo”). Poniżej zatem inny rodzaj („spolaryzowana kołowo”):

Action of a circularly polarized gravitational wave

To jest właśnie to czego poszukują poszukiwacze fal grawitacyjnych. Z jednym małym wyjątkiem – nie mają takich ładnych okręgów cząsteczek unoszących się swobodnie w przestrzeni. Zamiast tego  detektory mają określoną masę (głównie potężne lustra) zawieszone tu na Ziemi oraz promień lasera, którego zadaniem jest wykrywanie delikatnych zmian odległości między lustrami spowodowanych falami grawitacyjnymi.

Bardziej realistyczne sygnały fal grawitacyjnych zawierające informacje o łączących się czarnych dziurach lub ruchu materii wewnątrz eksplozji supernowej – są jeszcze bardziej skomplikowane, bowiem składają się z wielu pojedynczych fal o różnych częstotliwościach i amplitudzie fali, które będą się w charakterystyczny sposób zmieniały w czasie.

Detektory fal grawitacyjnych: jak one działają?

Pamiętacie jak delikatne są zmiany spowodowane przez fale grawitacyjne? Gdyby nasz hipotetyczny okrąg cząsteczek miał średnice 300 000 000 kilometrów, to fala grawitacyjna spłaszczyłaby/rozciągnęłaby go o…. mniej więcej średnicę atomu wodoru.

Jak wykryć tak małe odkształcenia spowodowane przez fale grawitacyjne?

Pierwsze nieudane próby wykrycia fal grawitacyjnych w latach sześćdziesiątych ubiegłego wieku starały się zmierzyć czy fale grawitacyjne nie wprowadzają aluminiowych cylindrów w wibracje, które sprawiają, że cylinder staje się bardzo cichym dzwonem. Fizyk stojący za tym eksperymentem był pewien, że odkrył fale grawitacyjne w ten sposób, jednak po gruntownej analizie społeczność naukowa ogłosiła, że odkrycia nie było.

Następnie fizycy wpadli na inny pomysł. Wyobraźmy sobie, że w miejsce czarnego punktu po środku okręgu ustawiamy detektor, a w miejsce najbardziej w prawo oddalonej cząsteczki ustawiamy źródło światła laserowego. Teraz, wysyłamy pulsy laserowe (przedstawione poniżej za pomocą czerwonych kropek) ze źródła promieniowania do detektora. Zobaczmy zatem jak sytuacja wygląda bez udziału fali grawitacyjnej:

simplified-nogw

Za każdym razem gdy puls dociera do detektora, błyska w nim żółta kontrolka. Pulsy wysyłane są w równych odstępach, podróżują z prędkością światła, dlatego docierają do detektora w równych odstępach czasu.

Jeżeli jednak fala grawitacyjna przejdzie przez ten system, zmienią się odległości.  Detektor pozostaje w tym samym miejscu, a kamera cały czas skierowana jest w jego stronę. Zmieniająca się odległość źródła światła oraz zmieniające się odległości między pulsami i zmiany odległości między pulsami a detektorem są skutkiem przejścia fal grawitacyjnych.  Wyglądałoby to tak (oczywiście znacznie przesadzone):

simplified-gw

Zwróćcie uwagę na kontrolkę – okazuje się, że nie błyska już równomiernie. Czasami błyska częściej, czasami rzadziej. To bezpośredni efekt przejścia fali grawitacyjnej.  Efekt, dzięki któremu możemy mieć nadzieję na odkrycie fali grawitacyjnej. My  w tym zdaniu to radioastronomowie pracujący nad Pulsar Timing Arrays. Źródłem regularnych pulsów są… pulsary, rotujące gwiazdy neutronowe omiatające swoimi dżetami radiowymi nasze anteny niczym kosmiczne latarnie morskie. Detektorami są w tym przypadku radioteleskopy na Ziemi. Tego typu detekcja nie jest łatwa. Przy pojedynczym pulsarze trzeba by było śledzić odstępy przed dotarciem na Ziemię pulsu z dokładnością do kilku miliardowych części sekundy przez ponad pół roku i upewnić się czy nie zostaliśmy zmyleni przez inne źródła zakłóceń. Jak dotąd nie udało się odkryć w ten sposób żadnych fal grawitacyjnych, choć radioastronomowie wciąż podejmują próby.

Aby zobaczyć w jaki sposób działają detektory fal takie jak LIGO, musimy trochę bardziej się wysilić.

Interferometryczne detektory fal grawitacyjnych

Oto podstawowy układ: dwa zwierciadła (M1 i M2), odbiornik (LD), źródło światła (LS) oraz rozszczepiacz wiązki (B):

Basic setup for an interferometric gravitational wave detector

W tym wypadku światło jest przesyłane do detektora (LD) od źródła światła (laserowego) (LS) przez rozszczepiacz wiązki B, który zgodnie ze swoją nazwą wysyła część wiązki do lustra M1 a część do lustra M2. Oba lustra odbijają wiązkę z powrotem do B. Tam też światło docierające z M1 (lub M2) jest ponownie rozszczepiane – połowa wysyłana jest jest do detektora, a druga połowa do źródła światła. Zignorujemy tą drugą połowę i będziemy udawać, że całe światło wpadające do B z M1 lub M2 przesyłane jest do detektora LD.

(Żeby się nie mylić – mówiąc o detektorze światła będę używał skrótu LD, a mówiąc „detektor” będę miał na myśli całe urządzenie).

Swoją drogą to urządzenie to Interferometr Michelsona. Poniżej zobaczymy dlaczego to jest dobre urządzenie do wykrywania fal grawitacyjnych.

Poniżej przyjmiemy, że lustra i rozszczepiacz wiązki, pokazane tutaj jako unoszące się w przestrzeni, reagują na fale grawitacyjne tak jak zareagowałyby swobodnie unoszące się cząsteczki. Kluczowe wydarzenia dzieją się między lustrami a rozszczepiaczem wiązki czyli w tzw. dwóch ramionach detektora. Długość ramienia jest ogromna w dzisiejszych detektorach – osiągając kilka kilometrów. Dla porównania źródło światła i detektor znajdują się bardzo blisko rozszczepiacza wiązki; zmiany odległości między nimi nie są istotne.

Pulsy światła w detektorze fal grawitacyjnych

Zobaczmy jak pulsy światła biegną w takim detektorze. Poniżej przedstawiono ten sam detektor, ale widziany z góry:

int-working-static-en

Źródło światła (LS), dwa zwierciadła (M1, M2), rozszczepiacz wiązki (B) i detektor światła (LD) – wszyscy obecni i gotowi.

Teraz, źródło światła zaczyna emitować pulsy. Dla większej jasności – uwzględnimy dwie sztuczne i nierealistyczne zmiany. Do detektora będziemy wysyłać pulsy czerwone i zielone, które odpowiednio wysyłane są do ramienia poziomego i pionowego. W rzeczywistości nie ma takiego rozróżnienia. Światło podążające do M1 będzie odchylone nieznacznie w lewo, a wracając od M1 w prawo – dla większej przejrzystości. Tak samo w przypadku M2. A więc… włączamy światło.

Simplified interferometric gravitational wave detector with light running through both arms

Emisja rozpoczyna się w źródle światła po lewej. Światło opuszcza źródło jednocześnie, podróżuje jednocześnie (dlatego zielone i czerwone pulsy podróżują obok siebie), aż do rozszczepiacza wiązki. Rozszczepiacz następnie kieruje zielone pulsy w górę i przepuszcza czerwone pulsy do lustra po prawej. Wszystkie cząsteczki które docierają do rozszczepiacza wiązki po odbiciu od M1 i M2 kierowane są do detektora LD umieszczonego na dole.

W naszym przypadku ramię poziome jest nieznacznie dłuższe od pionowego. Czerwone cząsteczki muszą pokonać nieznacznie większą odległość. Dlatego docierają do detektora nieco później i w LD otrzymujemy na przemian zielony, czerwony, zielony, czerwony puls w równych odstępach. To będzie ważne nieco później.

Poniżej otrzymujemy diagram, swego rodzaju pasek zapisu przedstawiający czas dotarcia czerwonych i zielonych pulsów do LD.

no-gw-timeplot-580x93

Wydruk jest wyraźny: czerwone i zielone pulsy w równej odległości, jeden po drugim.

Włączmy falę grawitacyjną!

Następnie włączamy naszą standardową falę grawitacyjną (przesadzoną, podróżującą w kierunku od ekranu do Ciebie). Wynik poniżej:

int-working-gw

Zakładamy, że skutecznie ustawiliśmy naszą kamerę na rozszczepiacz wiązki (w naszym przypadku rozszczepiacz się nie porusza), ignorujemy delikatne zmiany odległości między rozszczepiaczem a źródłem światła/detektorem światła. Zamiast tego skupiamy się na lustrach M1 i M2, których odległość od rozszczepiacza B istotnie się zmienia, tak jak byśmy tego oczekiwali. Spójrzmy zatem na pulsy docierające do naszego detektora LD: czasami czerwony i zielony docierają w tym samym czasie, czasami o różnym czasie. To efekt działania fali grawitacyjnej. Bez niej odległości między pulsami byłyby identyczne.

No to znowu drukujemy pasek zapisu. I jak widać, od razu można zauważyć nieregularność pulsów.

ankunft-pulse-gw-580x95

Strzałką zaznaczono pulsy docierające do detektora niemal jednocześnie.

Jeżeli udałoby się zauważyć taką zmianę…. – odkryliśmy falę grawitacyjną.

Rzeczywiste fale grawitacyjne, są oczywiście dużo bardziej skomplikowane. Nawet jeszcze nie zaczęliśmy mówić o wielu zaburzeniach, które naukowcy muszą uwzględniać. Jak bowiem zawiesić lustra tak (przynajmniej dla niektórych fal grawitacyjnych), aby można było je rozpatrywać jako swobodnie unoszące się cząsteczki? Jak wyeliminować szum sejsmiczny, wibracje spowodowane przez samochody czy pociągi w dalszej okolicy, które mogą przesunąć przecież lustra (czy to przez wibracje, czy przez własną grawitację)? A co z fluktuacjami światła laserowego?

Poszukiwanie fal grawitacyjnych to w dużej mierze poszukiwanie szumu i sposobów jego eliminacji. Detektory fal grawitacyjnych LIGO i im podobne to bardzo skomplikowane maszyny wyposażone w setki obwodów kontrolnych, wyrafinowane sposoby zawieszenia luster, najbardziej stabilne lasery na świecie, technologia dostarczona przez grupy naukowców z całego świata.

Więcej informacji o detektorach znajdziecie na ich stronach poniżej:

No to w takim razie…

Co powoduje powstawanie fal grawitacyjnych?

Najprostszym źródłem fal grawitacyjnych w przestrzeni kosmicznej są dwa (lub więcej) obiekty krążące wokół siebie wskutek wzajemnego oddziaływania grawitacyjnego. Fale, które generują wyglądają mniej więcej tak:

quadrupol

Oczywiście to nie jest coś co da się zobaczyć. Fala przedstawiona powyżej przedstawia nasilenie delikatnych zmian odległości, które powstałyby wskutek fali grawitacyjnej. (Animacja: Sascha Husa z Universitat de les Illes Balears).

Fale grawitacyjne emitowane przez okrążające się obiekty wysyłają w przestrzeń energię. Podstawowa fizyka mówi jednak, że jeżeli usuniemy energię z takiego układu, odległość między okrążającymi się obiektami zmaleje i będą one szybciej krążyć wokół siebie.

De facto, fale grawitacyjne, które przyspieszały układ podwójny gwiazd neutronowych stanowią pierwszy dowód istnienia fal grawitacyjnych. Podwójny układ gwiazd neutronowych został odkryty prze Hulse i Taylora w 1974 roku, a przyspieszenie spowodowane przez fale grawitacyjne zostało opisane przez Taylora i Weisberga w 1984 roku, po dokładnej analizie danych zbieranych przez 7 lat. Hulse i Taylor otrzymali za to Nagrodę Nobla w fizyce w 1993 roku.

Poniżej, na wykresie z artykułu Weisberga z 2010 roku przedstawiono dopasowanie między przewidywaniami ogólnej relatywistyki a obserwacjami w całej chwale (a przynajmniej w chwale trwającej do 2005 roku):

weisberg2010-1-580x556

Wraz z przyspieszaniem obu gwiazd neutronowych będą one co raz wcześniej przechodziły przez punkt największego zbliżenia. O ile wcześniej (w sekundach) zaznaczono na osi pionowej, rok pomiaru zaznaczono na osi poziomej.

Dzisiejsze naziemne detektory fal grawitacyjnych nie mogą wykryć fal pochodzących od wszystkich rodzajów okrążających się obiektów. Obiekty te muszą być masywne, kompaktowe i co najważniejsze, wystarczająco szybko się wokół siebie okrążać. Dla ciał okrążających się wolniej niż kilka razy na sekundę (to bardzo szybko, bo przecież mówimy o ciałach astronomicznych!) częstotliwość powstałej fali grawitacyjnej będzie za niska dla detektorów naziemnych. W zakresie częstotliwości poniżej 10-100 Hz zakłócenia spowodowane przez ruch powierzchni Ziemi („szum sejsmiczny”) są dominujące i całkowicie zasłaniają delikatne efekty wywoływane przez fale grawitacyjne. Dlatego też w przypadku fal grawitacyjnych emitowanych przez supermasywne czarne dziury lub białe karły – musimy poczekać na przyszłe detektory fal grawitacyjnych umieszczone w przestrzeni kosmicznej.

Gdy orbitujący układ emituje fale grawitacyjne, prędkość elementów układu zwiększa się. Gdy prędkość się zwiększa, układ emituje jeszcze więcej energii w postaci fal grawitacyjnych. Ten proces kończy się kolizją obu okrążających się obiektów.

Końcowa faza tego orbitalnego tańca charakteryzuje się gwałtownym wzrostem prędkości obiektów, odpowiadającym zwiększeniu częstotliwości i intensywności fal grawitacyjnych. Sygnał fali grawitacyjnej w tym stadium końcowym wygląda tak:

chirp-en

Wyraźnie widać jak częstotliwość i intensywność rosną aż do chwili „0”, kiedy to dochodzi do zderzenia obu gwiazd neutronowych.

W przypadku gwiezdnych czarnych dziur ( o masie od kilku do kilkudziesięciu mas Słońca) i gwiazd neutronowych (w dowolnej kombinacji) częstotliwości fal grawitacyjnych podobne są do częstotliwości słyszalnych fal dźwiękowych. Możecie sprawdzić jak brzmiałyby tego rodzaju fale sprawdzając na Twitterze hashtag #chirpForLIGO.

Tego rodzaju sygnały od łączących się czarnych dziur lub gwiazd neutronowych to nasza największa szansa odkrycia fal grawitacyjnych przy użyciu obecnych detektorów – i sądząc po plotkach, być może właśnie to odkrył detektor LIGO.

Końcowa część tego sygnału jest interesująca z jednego powodu: nie podąża ona za żadną prostą zasadą i może być tylko wymodelowana w złożonych symulacjach komputerowych – relatywistyka numeryczna. Jeżeli detektory z powodzeniem odkryją ten ostatni moment sygnału – będzie to doskonały test dla obecnych symulacji numerycznych ogólnej teorii względności!

Innego rodzaju sygnał, który można by było odkryć jest periodyczny i może powstawać np. jeżeli gwałtownie rotująca gwiazda neutronowa nie jest idealnie gładka. Jak dotąd nie udało się.

Kolejnymi źródłami fal grawitacyjnych mogłyby być mniej jak na razie zrozumiałe procesy zachodzące we wnętrzu supernowej. Gdy już naukowcy odkryją liczne sygnały i upewnią się, że ich detektory działają prawidłowo, może dojść do odkrycia całkowicie nieoczekiwanych sygnałów. Za każdym razem gdy astronomowie otwierali nowe okno na kosmos – czy to okno radiowe, czy podczerwone czy rentgenowskie – zawsze odkrywano coś nieoczekiwanego. Nikt nie jest w stanie powiedzieć czego dowiemy się o Wszechświecie otwierając okno Einsteina, okno fal grawitacyjnych…

Konferencja zespołu LIGO już dzisiaj o godzinie 16:30. Stay tuned!

Źródło: Universe Today