Co nowego u wykrywaczy fal grawitacyjnych?

Pierwsze spektakularne wykrycie fal grawitacyjnych – w 2015 r. – potwierdziło jedną z najbardziej spektakularnych hipotez Einsteina: że dwa masywne obiekty orbitujące wokół siebie powinny wywoływać zaburzenia przestrzeni. Przyniosło też odkrywcom nagrodę Nobla i otworzyło nową gałąź astrofizyki: mulit-messenger astrophysics, czyli obserwacje pochodzące nie tylko ze światła, ale i od innych „informatorów” czy „posłańców”, takich jak zakrzywienia czasoprzestrzeni.

Ten eksperyment, którego celem było zademonstrowanie, że wykrycie fal jest w ogóle możliwe, był jednak dopiero początkiem. Jak donosi „Nature” po trwających trzy lata pracach, LIGO, czyli Laserowe Interferometryczny Obserwatorium Fal Grawitacyjnych, doczekało się poważnych usprawnień, które pozwolą na kolejne przełomy w badaniach kosmosu.

Na czym polega najnowszy upgrade LIGO? Aby go zrozumieć, należy bliżej przyjrzeć się temu, jak w ogóle działają detektory fal grawitacyjnych. W uproszczeniu, wiązka laserowa, jest rozszczepiana i wysyłana przez dwa kilkukilometrowe tunele. Po odbiciu od lustra na końcu tunelu, każda jej część wraca do punktu wyjścia. Rozszczepione wiązki są identyczne, zatem powinny się wzajemnie wygasić: mówimy wtedy o inteferencji destruktywnej. Tak stanie się jednak wyłącznie gdy przebyty przez nie dystans jest identyczny. Jeśli jednak podczas eksperymentu przez Ziemię przejdzie fala grawitacyjna, cała przestrzeń zostanie delikatnie ściśnięta. A to sprawi, że drogi wiązek w różnych kierunkach będą się różnić. Sygnał więc nie wygaśnie, a ilość pozostałego poinformuje o intensywności fali grawitacyjnej. Niesamowita precyzja tego eksperymentu pozwala na wykrycie zmian odległości mniejszych niż rozmiar protonu.

Poszerzanie przez ściskanie

Ta precyzje ma jednak swoje konsekwencje: instrument staje się wrażliwy także na efekty kwantowe. O ile w makroświecie światło łatwo wyobrazić sobie jako falę, w ścisłym sensie światło jest cząstką. A w świecie kwantowym, zgodnie z zasadą nieoznaczoności Heisenberga, nie da się dokładnie zmierzyć wszystkich właściwości cząstki z nieskończoną dokładnością. W interferometrach laserowych stosuje się tak zwane ściskanie światła. Polega ono na zwiększeniu niepewności w jednym parametrze, aby drugi zaobserwować z większą dokładnością, poprzez wprowadzenie dodatkowego lasera. To właśnie usprawnienie tego mechanizmu jest jednym z największych ulepszeń obserwatorium LIGO. Nowe 300-metrowe próżniowe rurki będą przechowywały światło przez kilka milisekund, manipulując nim zależnie od jego częstotliwości i pozwalając na zwiększenie dokładności eksperymentu.

Większa czułość obserwatoriów to szansa na eksplorowanie dość niewyobrażalnych aspektów wszechświata, na przykład wykrywanie mikroskopijnych nierówności na gwiazdach neutronowych albo wychwytywanie ostatnich podrygów zapadającej się gwiazdy jeszcze zanim zdąży zamienić się w supernową.

To także szansa na rozwikłanie jednej z większych zagadek współczesnej fizyki. Zazwyczaj światy makro i mikro traktuje się w fizyce osobno: ogólna teoria względności Einsteina opisuje zjawiska makro, a fizyka kwantowa zjawiska mikro. Jednak to trochę niewiarygodne, żeby Wszechświat działał w taki sposób i zmieniał zasady w zależności od rozmiaru obiektu. Teoretycznie powinna więc istnieć jedna teoria, która wyjaśnia oba zjawiska: teoria kwantowej grawitacji.

Powiększanie przez zmniejszanie

Czarne dziury, główne obserwowalne źródło fal grawitacyjnych, to jedne z obiektów ekstremalnych. Ich masa zakrzywia przestrzeń do tego stopnia, że światło nie może uciec z jej otoczenia. To może sprzyjać wywoływaniu zauważalnych efektów w świecie kwantowym. Dongjun Li z California Institute of Technology wraz ze współpracownikami opublikowali w „Physical Review X”. nowy teoretyczny opis zjawisk kwantowych w pobliżu ekstremalnej masy.

Nie każde odkrycie wymaga obserwatoriów. Dongjun Li ze współautorami, wyprowadzili matematyczne równania, przewidujące jak efekty kwantowej grawitacji wpływają na obserwowalne fale grawitacyjne. Inna grupa badaczy pod kierunkiem Sizheng Ma, również z Caltechu, opublikowała w „Physical Review Letters” zastosowanie nowego formalizmu do jednego z poprzednich eksperymentów LIGO, pokazując, że istnieje duża szansa na dużo bardziej rygorystyczne testy teorii grawitacji niż kiedykolwiek.

Tak oto wspólne wysiłki teoretyków z jednej strony oraz naukowców i inżynierów z drugiej, zbliżają nas do zrozumienia natury Wszechświata. Obserwacje LIGO już wystartowały po trzyletniej przerwie, nam pozostaje nasłuchiwać o nowych odkryciach i przełomach w teorii kwantowej grawitacji.