Podkast 46. Tomasz Bulik: Czekaliśmy z tymi „mikrofonami” i zdarzyło się bum

Przeczucie istnienia fal grawitacyjnych naukowcy mieli już pod koniec wieku XIX. Do nadania tej intuicji konkretnego kształtu potrzeba było jednak Alberta Einsteina. Stworzona przez niego ogólna teoria względności przewidywała istnienie zmarszczek czasoprzestrzeni towarzyszące ruchom masywnych ciał. – Nie było jednak do końca jasne, czy to rozwiązanie naprawdę fizyczne, czy tylko artefakt – mówi prof. Bulik. – To był rollecoaster idei, optymizmu i pesymizmu.

Dyskusje na ten temat trwały kilkadziesiąt lat. Ważną w nich rolę odegrał polski uczony, prof. Andrzej Trautman, opowiadając się za fizycznym istnieniem fal grawitacyjnych. Długo brakowało jednak metod obserwacyjnych, które mogłyby to zweryfikować.

Pierwszy, niebezpośredni dowód ich realności otrzymano w roku 1974. Naukowcy z Arecibo Radio Observatory w Puerto Rico przyglądali się układowi podwójnemu pulsarów. Badali bilans wyzwalanej przez nie energii, z którego wynikało, że brakująca jego część odpowiada dokładnie temu, co unoszą ze sobą fale grawitacyjne.

Zweryfikowanie przypuszczeń nastąpiło 14 września roku 2015. – Czekaliśmy z tymi naszymi „mikrofonami” i zdarzyło się bum – wspomina prof. Bulik. Zmierzono wtedy fale wzbudzone przez zderzenie dwóch czarnych dziur, odległych od Ziemi o 1,3 mld lat świetlnych. Obserwacja poczyniona jednocześnie przez dwa instrumenty LIGO (w stanie Louisiana i Waszyngton) była początkiem nowej ery badań kosmosu.

Obserwatorium, które powstawało przez niemal 30 lat (1994–2002) jest arcydziełem myśli inżynierskiej i naukowej. Precyzja jego pomiarów jest nieporównywalna chyba z żadnym innym ziemskim instrumentem naukowym (rzędu szerokości protonu). A osiągnięto ją w nierównej walce z wszechobecnym szumem.

Obserwatoria fal grawitacyjnych dały astrofizykom nowy zmysł – czuły na promieniowanie w zakresie dotąd nieosiągalnym, które przynosi informacje na temat niedostępnych rejonów Wszechświata, na temat jego prapoczątków. Pozwala zajrzeć w dość zagadkowy czas tuż po okresie gwałtownego rozszerzania się czasoprzestrzeni – tuż po inflacji.

Dzięki falom grawitacyjnym naukowcy dowiedzą się czegoś o roli czarnych dziur w ewolucji galaktyk (ich losy są ściśle powiązane, ale jak dokładnie – nie ma pewności). Być może przekonają się, dlaczego dwie wielkie teorie – mechanika kwantowa i grawitacji – nie poddają się próbom zespolenia. – Dziś wiemy, że troszkę się żrą.

Ponieważ połączenia czarnych dziur to zjawiska o ekstremalnej mocy i skali, idealnie nadają się testowania obowiązujących wzorców myślenia o czasoprzestrzeni. – Chcielibyśmy znaleźć granice aplikowalności ogólnej teorii względności Einsteina. Pokazać, gdzie ona przestaje działać.

Planowane są już kolejne obserwatoria – dające możliwość bardziej czułych obserwacji i działające w innych zakresach częstotliwości fal grawitacyjnych. Teleskop Einsteina powstanie kilkaset metrów pod powierzchnią ziemi. Ramiona tego ułożonego w trójkąt instrumentu będą miały po 10 km długości. Interferometry obserwatorium o nazwie Cosmic Explorer będą czterokrotnie dłuższe. Pomiary będą też wykonywane w kosmosie. Trzy wchodzące w skład teleskopu grawitacyjnego LISA satelity będzie dzielić dystans 5 mln kilometrów.

– To wspaniały czas dla fizyków i astrofizyków – mówi prof. Bulik.