Naukowcy ustalili prędkość fal grawitacyjnych

Obserwacje fal grawitacyjnych oraz światła gwiazd neutronowych pozwoliły naukowcom na ustalenie w przybliżeniu prędkości grawitacji. To kolejne potwierdzenie teorii względności Alberta Einsteina, które pozwoli naukowcom lepiej zrozumieć kosmos.

Zdolność do wykrywania fal grawitacyjnych przenosi nas w nową erę wiedzy o astronomii i fizyce – czytamy w serwisie futurism.com. Dzięki nowoczesnej aparaturze w ciągu ostatnich dwóch lat udało się zarejestrować cztery detekcje fal grawitacyjnych. Dzięki temu naukowcy wiedzą już w przybliżeniu, z jaką prędkością rozchodzą się te fale.

Fizyka Newtonowska zakładała, że efekty grawitacji są natychmiastowe. Albert Einstein to zanegował i stwierdził, że siła która utrzymuje nas w uwięzi na Ziemi musi poruszać się w przestrzeni kosmicznej. Od kiedy Einstein ogłosił swoją teorię naukowcy szukali dowodów na jej potwierdzenie.

– Prędkość grawitacji podobnie jak prędkość światła jest jedną z podstawowych stałych we wszechświecie – mówi Neil Cornish, fizyk pracujący na Uniwersytecie w Montanie. Badacz tłumaczy, że najpierw udało się zarejestrować fale grawitacyjne z jednej z wielkich erupcji w kosmosie – ze zderzenia się gwiazd neutronowych. Dwie sekundy później zarejestrowano fotony o różnych energiach pochodzące z tej samej kosmicznej katastrofy. Była to pierwsza tego typu obserwacja zarówno światła jak i fal grawitacyjnych pochodzących z tego samego miejsca.

Odkrycia dokonano 17 października dzięki amerykańskiemu laserowemu interferometrycznemu obserwatorium fal grawitacyjnych LIGO. Zostało potwierdzone przez europejskie laserowe interferometryczne obserwatorium fal grawitacyjnych Virgo, oraz około 70 obserwatoriów naziemnych i kosmicznych.

Jak zarejestrowano „zmarszczki” czasoprzestrzeni? Obserwatorium LIGO oraz Virgo składa się z dwóch długich tuneli rozmieszczonych w kształcie litery L, na złączeniu których wiązka lasera jest rozdzielana na dwie części. Światło jest wysyłane wzdłuż każdego z tuneli, a następnie odbite z powrotem przez lustro na końcu tunelu. Jeśli przed detektor nie przechodzi fala grawitacyjna, światło lasera przebywa w każdym z ramion przez określony czas i wraca do centrum instrumentu z niezmienioną fazą. Jeśli jednak fala grawitacyjna przechodzi przez detektor, zmienia ona długości ramion (czas przebywania w nich światła laserowego), powodując zmianę ich fazy i w konsekwencji sygnału wyjściowego.

Eksplozja, którą udało się zarejestrować nazywana jest przez badaczy kilonową, czyli wybuchem 1000 razy większym, niż wybuch nowych klasycznych. Kilonowa spowodowana była przez połączenie się dwóch gwiazd neutronowych. Naukowcy weszli więc w posiadanie danych, które pozwoliły im porównać prędkość światła z prędkością fal grawitacyjnych.

Po obliczeniach okazało się, że prędkość grawitacji jest praktycznie równa prędkości światła. Odkrycie ma duże znaczenie dla fizyki i zrozumienia kosmosu – twierdzą naukowcy. Ustalenie prędkości grawitacji pozwala obalić teorie, które zakładały, że prędkość światła i grawitacji znacznie się od siebie różnią. – Kilka z tych teorii zostało teraz wykluczonych, ograniczając tym samym sposoby, w jakie teoria Einsteina może być rozsądnie modyfikowana i czyniąc ciemną energię bardziej prawdopodobnym wyjaśnieniem przyspieszonej ekspansji wszechświata – tłumaczy Cornish. Naukowcy mają nadzieję, na podobne obserwacje w przyszłości.

Gwiazdy neutronowe, których zderzenie zarejestrowały LIGO i Virgo, to najmniejsze i najgęstsze znane nauce gwiazdy, które powstają, gdy masywne gwiazdy zapadają się i eksplodują jako supernowe. Układ dwóch gwiazd neutronowych zacieśniał stopniowo swoją orbitę emitując fale grawitacyjne, które były rejestrowane przez detektory interferometryczne przez około 100 sekund.

Wytworzone podczas zderzenia światło w postaci wysokoenergetycznych fotonów gamma zostało wykryte na Ziemi około dwie sekundy po momencie zderzenia. W trakcie kolejnych dni i tygodni wykryto promieniowanie elektromagnetyczne o różnych energiach pochodzące z miejsca zdarzenia — w tym promieniowanie rentgenowskie, ultrafioletowe, optyczne, podczerwone i radiowe.

Detekcja ta dała astronomom bezprecedensową okazję do zbadania procesu zderzenia się dwóch gwiazd neutronowych. Obserwacje dokonane przez US Gemini Observatory, European Very Large Telescope oraz teleskop kosmiczny Hubble’a ujawniły w rejestrowanym świetle linie widmowe nowo powstałych pierwiastków, w tym złota i platyny. Udziela to odpowiedzi na nierozwiązane od dziesiątek lat pytanie, skąd bierze się w Kosmosie około połowa pierwiastków cięższych od żelaza.

Za wkład w odkrycie fal grawitacyjnych została przyznana tegoroczna Nagroda Nobla z dziedziny fizyki. Laureatami zostali Rainer Weiss, Barry C. Barish oraz Kip S. Thorne. Wszyscy trzej naukowcy byli jednymi z pomysłodawców projektu LIGO. W projekt LIGO-VIRGO, dzięki któremu była możliwa detekcja fal grawitacyjnych zaangażowanych jest tysiące naukowców z całego świata, jednak komitet noblowski mógł wskazać jedynie trzech.

W obserwacje fal grawitacyjnych zaangażowana jest także polska grupa badaczy PolGraw skupiająca naukowców z ośmiu jednostek badawczych. Polskie instytuty biorące udział w badaniach to Instytut Matematyczny PAN, Obserwatorium Astronomiczne Uniwersytetu Warszawskiego, Instytut Astronomii Uniwersytetu Zielonogórskiego, Narodowe Centrum Badań Jądrowych, Centrum Astronomiczne im. Mikołaja Kopernika PA, Uniwersytet w Białymstoku, Centrum Astronomii UMK, Instytut Fizyki Teoretycznej Uniwersytetu Wrocławskiego, Obserwatorium Astronomiczne Uniwersytetu Jagiellońskiego.

 

 

Źródło: Physical Review Letters, The Astrophysical Journal Letters, Futurism, fot. LIGO/ T. Pyle