Księżyc: srebrny detektor fal grawitacyjnych. O tym zjawisku fizycy dyskutują zawzięcie
O istnieniu fal grawitacyjnych – zmarszczek czasoprzestrzeni – fizycy dyskutowali zawzięcie już w drugiej dekadzie XX w. Na doświadczalne potwierdzenie ich istnienia trzeba było jednak czekać sto lat – do roku 2015. Od tego czasu sygnały były wielokrotnie wykrywane przez obserwatoria, takie jak europejski detektor Virgo czy para amerykańskich detektorów LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory).
Oba składają się ze struktur tworzących dwa prostopadłe ramiona, każde mierzące po kilka kilometrów. Z jednego końca emitowane jest światło lasera, które odbija się od lustra na drugim końcu i wraca do miejsca, z którego wyruszyło. Czas, jakiego potrzebuje do pokonania drogi tam i z powrotem, jest oczywiście stały. Jeśli ulegnie minimalnemu wydłużeniu, może to świadczyć o przejściu fal grawitacyjnych. One bowiem, przemierzając przestrzeń naszego Układu Słonecznego, powodują minimalne, naprzemienne skracanie się i wydłużanie obiektów znajdujących się w tymże układzie.
Dotychczas, z pomocą istniejących instrumentów naziemnych, badacze byli w stanie wykrywać głównie fale grawitacyjne będące następstwem zlewania się szczególnie masywnych czarnych dziur lub gwiazd neutronowych. Z powodu ograniczonej czułości aparatury możliwe do wykrycia były fale grawitacyjne powstałe wyłącznie na skutek zdarzeń w odległości do ok. 7 mld lat świetlnych od Ziemi.
Wszędobylski szum
Wykrycie słabszych fal grawitacyjnych na Ziemi jest dosyć trudne. Po pierwsze, wymaga zbudowania większych detektorów. Po drugie, w ziemskim środowisku panuje nieustanny szum. Do jego istnienia przyczyniają się oceany, atmosfera i wszechobecne na Ziemi życie. Nasza planeta pozostaje również aktywna sejsmicznie, nieustannie ulegając delikatnym wstrząsom. I choć w większości są one niegroźne, a nawet niewyczuwalne dla człowieka, to zakłócają pracę naziemnych detektorów fal grawitacyjnych, powodując swoiste fałszywe alarmy – kiedy to wykryta anomalia pochodzi nie od fali grawitacyjnej, ale od „trzęsienia Ziemi” w skali mikro.
Zapewnienie szczególnie czułym detektorom fal grawitacyjnych optymalnych warunków do pracy na Ziemi jest nie tylko technologicznie trudne, ale też kosztowne. Zwłaszcza w przypadku poszukiwania fal o niskich częstotliwościach. Czujniki powinny pracować w temperaturze bliskiej zeru absolutnemu (–273,15 st. C). Jej osiągnięcie wymaga zastosowania skomplikowanych systemów, które z kolei powodują wibracje zakłócające pracę detektorów.
Rozwiązaniem wydaje się umieszczenie przyszłego detektora fal grawitacyjnych na Księżycu. Naturalny satelita Ziemi pozbawiony jest atmosfery, oceanów, obecności życia i szumu radiowego. Jest też nader spokojny sejsmicznie. Doskonałymi lokalizacjami dla umieszczenia detektora wydają się wiecznie zacienione kratery w pobliżu biegunów – czy to północnego, czy to południowego. Panujący tam cień w naturalny sposób zapewniałby bardzo niską i stabilną temperaturę.
Fale grawitacyjne
To zmarszczki czasoprzestrzeni, których istnienie przewidział już ponad sto lat temu Albert Einstein. Jego ogólna teoria względności przewidywała, że ich źródłem są np. gwałtowne procesy z udziałem masywnych ciał niebieskich – gwiazd neutronowych czy supernowych. Doświadczalne bezpośrednie potwierdzenie słuszności predykcji nastąpiło w 2015 r., kiedy detektor LIGO zarejestrował wibracje spowodowane przez odległe od nas o 1,6 mld lat świetlnych zderzające się czarne dziury. Ta metoda obserwacji otwiera nowe – obok związanego z promieniowaniem elektromagnetycznym – okno poznania Wszechświata. Pozwala poznać naturę zjawisk o nieludzkiej skali intensywności. A z pomocą czulszych detektorów prześledzić także pradzieje kosmosu – okres jego gwałtownego rozszerzania się.
Supermasywne siostry
Zwolennikiem budowy detektora fal grawitacyjnych na Księżycu jest Jan Harms z włoskiego Gran Sasso Science Institute. Niemiecki astrofizyk mówił o tym podczas zorganizowanej w 2023 r. w Londynie konferencji „Astronomy from the Moon”. Promuje on koncepcję stworzenia obserwatorium Lunar Gravitational Wave Antenna (LGWA). Zgodnie z tą ideą cały Srebrny Glob pełniłby rolę wielkiego receptora fal grawitacyjnych. Sensor, umieszczony w jednym z biegunowych kraterów Księżyca, byłby w stanie wykryć przechodzącą falę grawitacyjną na podstawie minimalnych wibracji powodowanych przez taką falę. Pozwoliłby naukowcom na obserwacje w niedostępnym na Ziemi zakresie od 0,1 do 1 Hz. „Nie widzę większych barier technologicznych do pokonania, żeby zbudować ten detektor” – twierdzi Harms. Mógłby powstać w ciągu dekady.
Jeszcze jednak w 2021 r. stworzenie księżycowego obserwatorium pod nazwą GLOC (Gravitational-wave Lunar Observatory for Cosmology) postulował Avi Loeb, astronom z Uniwersytetu Harvarda. Każde z ramion instrumentu GLOC powinno mieć po 40 km długości. Dzięki temu detektor osiągnąłby czułość pozwalającą na poszukiwanie źródeł fal grawitacyjnych w przestrzeni stanowiącej niemal 70 proc. objętości obserwowalnego Wszechświata. „Obserwatorium księżycowe zapewniłoby bezprecedensową czułość w odkrywaniu źródeł fal grawitacyjnych, których się nie spodziewamy, i które mogłyby przynieść nam wiedzę o nowej fizyce” – tłumaczy Loeb.
Naukowcy liczą na to, że księżycowa aparatura do detekcji fal grawitacyjnych pozwoli im wykryć zdarzenia odleglejsze i spowodowane zderzeniami mniej masywnych obiektów – takich jak choćby białe karły (to pozostałości po mniej masywnych gwiazdach, np. takich jak nasze Słońce). Astronomowie dopuszczają możliwość, że to właśnie podobne kolizje są odpowiedzialne za pewien typ supernowych, jednakże dotąd nie zdobyli dowodów tę tezę potwierdzających. Możliwość podejrzenia procesów łączenia się skromniejszych czarnych dziur w dalekich zakątkach Wszechświata powinna przybliżyć badaczy do lepszego zrozumienia mechanizmu narodzin ich supermasywnych sióstr, kryjących się w centrach galaktyk.
Naturalna miarka
A dlaczego by nie użyć naturalnego satelity Ziemi do badań w sposób bardziej bezpośredni i to bez konieczności budowania nowego obserwatorium? To właśnie zaproponowali w artykule opublikowanym w 2022 r. w „Physical Review Letters” badacze Diego Blas z Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) i z Institut de Física d’Altes Energies (IFAE) oraz Alexander Jenkins z University College London (UCL). Postulują oni badanie fal grawitacyjnych na podstawie wpływu, jaki wywierają one na ruch Księżyca.
Dystans pomiędzy Ziemią a naszym naturalnym satelitą jest dziś wyznaczany z milimetrową dokładnością. Jest to możliwe dzięki zastosowaniu wiązek laserowych wysyłanych przez rozsiane po całym świecie obserwatoria astronomiczne. Wiązki te odbijają się od odbłyśników pozostawionych na powierzchni Księżyca (np. przez astronautów programu Apollo) i powracają do obserwatoriów, które je wysłały. Znając czas ich „podróży” oraz wiedząc, że prędkość światła w próżni jest stała, naukowcy określają odległość pomiędzy tymże ciałem niebieskim a naszą planetą. Pozwoli to, przynajmniej w teorii, zorientować się, gdy ruch Księżyca zostanie zaburzony przez fale grawitacyjne.
Ta metoda powinna rejestrować fale grawitacyjne o częstotliwościach rzędu mikroherców. Takie fale, dziś wciąż jeszcze przemierzające czasoprzestrzeń, mogły powstać w początkach Wszechświata. „Ten związek między fundamentalnymi aspektami Wszechświata a bardziej przyziemnymi obiektami jest szczególnie fascynujący i może ostatecznie doprowadzić do wykrycia najstarszych sygnałów, jakie kiedykolwiek zaobserwowaliśmy, a tym samym zmienić nasze rozumienie kosmosu” – mówi Diego Blas.
Nieznane niewiadome
Koncepcja wykorzystania istniejących we Wszechświecie układów podwójnych obiektów – w tym pary Ziemia–Księżyc – do badania fal grawitacyjnych była przez różnych badaczy rozwijana od lat 70. XX w. „To ekscytujący i nowatorski sposób obserwowania fal grawitacyjnych. Pomysł jest prosty, ale wymaga skomplikowanych obliczeń, aby go wdrożyć i udowodnić, że działa. Może jednak ujawnić nieoczekiwane źródła fal grawitacyjnych” – przewiduje specjalizujący się w fizyce czarnych dziur Vitor Cardoso z Instituto Superior Técnico w Lizbonie.
Jenkins i Blas wykorzystali wcześniejsze prace teoretyczne w tej dziedzinie do opracowania nowego sposobu matematycznego oraz metod numerycznych, które umożliwią śledzenie ewolucji ruchu orbitalnego dowolnego układu podwójnego ciał niebieskich podlegającego oddziaływaniu fal grawitacyjnych. Zdaniem badaczy pozwoli to doprecyzować wiedzę naukowców na temat maksymalnej możliwej amplitudy mikrohercowych fal grawitacyjnych działających na układ Ziemia–Księżyc.
– Ucieczka na Księżyc jest metodą na poprawienie czułości detektorów typu naziemnego oraz sprytnym wykorzystaniem całego Księżyca jako rezonatora, pochłaniającego niewielką ilość energii przenoszonej przez fale grawitacyjne – mówi specjalizujący się w badaniach fal grawitacyjnych dr hab. Michał Bejger z Centrum Astronomicznego im. Mikołaja Kopernika Polskiej Akademii Nauk oraz z Narodowego Instytutu Fizyki Jądrowej (INFN) w Ferrarze. – Budowa pełnoskalowego instrumentu będzie się wiązać z wieloma technologicznymi komplikacjami, dlatego myślę, że najpierw doczekamy się detektorów fal o niskiej częstotliwości typu LGWA lub eksperymentów dotyczących laserowego pomiaru pozycji Księżyca.
Doktor Bejger widzi jednak trudności, z którymi naukowcy będą się mierzyć w przyszłości: – Nie zapominajmy, że detekcja fal grawitacyjnych jest związana z ciągłą walką z niekontrolowanymi źródłami szumu i zakłada dostatecznie dobrą znajomość zachowania się kluczowego elementu naszej „aparatury”, czyli globu księżycowego i jego oddziaływania z otoczeniem. A więc osiągnięcie planowanej czułości będzie wymagało wielu szczegółowych symulacji i dokładnych badań.
Autor jest kierownikiem Biura Związku Pracodawców Sektora Kosmicznego.