Zlewanie się 2 gwiazdowych czarnych dziur – symulacja komputerowa

Wiele lat temu, prawie dokładnie 100, Albert Einstein wyprowadził równania Ogólnej Teorii Względności, opisującej kosmologiczną charakterystykę obserwowanego Wszechświata przy założeniu, że grawitacja jest jedynym uniwersalnym oddziaływaniem we Wszechświecie. Podlega jej nawet bezmasowa (w spoczynku) cząstka z racji faktu, że zgodnie z STW materia i energia są sobie równoważne.

Czyli foton biegnący z prędkością światła też ma masę – z racji energii jaką niesie! Fotony radiowe są najmniej energetyczne, podczerwone i nadfioletowe średnio (na skali logarytmicznej podczerwień i nadfiolet leżą bardzo blisko siebie – rozdziela je promieniowanie widzialne, postrzegane przez ludzkie oko i jakimś znakomitym zbiegiem okoliczności przepuszczane przez atmosferę), a rentgenowskie i gamma – bardzo, bardzo energetyczne. Jeszcze „cięższe“ są niektóre pojedyncze fotony niesione z rubieży supergromady galaktyk. Z całkiem daleka te energetyczne cząstki nie dolecą z powodu zjawiska zwanego „obcięciem GZK“ – oddziaływania wysokoenergetycznych fotonów z kosmicznym promieniowaniem tła (CMB), które maksymalny zasięg bezpośredniej podróży cząstki wysokoenergetycznej określa na kilkadziesiąt megaparseków (Mpc).

Co to oznacza dla Wszechświata? Że jego ewolucja jest wyznaczona przez średnią gęstość. Aby ją pomierzyć, musielibyśmy zsumować energie i masy wszystkich cząstek na jednostkę objętości, skonfrontować wynik z tzw. gęstością krytyczną… i nadal nie wiedzielibyśmy, jaka jest średnia gęstość Wszechświata – tzw. omega. Musielibyśmy dodać ciemną materię – tę barionową, oddziałującą grawitacyjnie, jak i tę niebarionową, ciężką tylko swoją energią. Do tego należałoby jeszcze dodać coś, co Einstein wymyślił ale co uważał za tak sztuczne że stanowiące porażkę OTW – człon określający udział ciemnej energii, czynnik który stanowi o tempie rozszerzania się Wszechświata i jego ewolucji. Udział ciemnej energii jest szacowany na mniej więcej ¾ całej energii zgromadzonej we Wszechświecie i składającej sie na ową tajemniczą „omegę“.

To może wyjaśnia, dlaczego modne stały się pewne egzotyczne cząstki które słabo oddziałują z materią – tzw. WIMPy – mają energię i nas, barionowców, ustawicznie ignorują, nieraz przenikając na wskroś wieloma torami – zupełnie jak posiadające nikłą masę i jeszcze bardziej nikły przekrój czynny neutrina. Po prostu, uzmysławiają one z jednej strony jak egzotyczny jest Wszechświat z ciemną energią – a też bronią wyników które wzrost tempa jego ekspansji (powodowany przez człon kosmologiczny równań zawiedzionego Einsteina) potwierdzają. Taką obserwacją jest stwierdzenie wzrostu tempa ekspansji Wszechświata na podstawie analizy czasów i miejsc zapłonów odległych supernowych jak również obserwacja czegoś o czym zapisano już sterty papieru (i napisano jeszcze bardziej pojemne tomy publikacji) czyli detekcja bozonu Higgsa w LHC.

Skracanie się okresu obiegu pulsara podwójnego PSR 1913 +16 na przestrzeni 30 lat pomiarów.

A co mają z tym wspólnego fale grawitacyjne? Ich istnienia domyślał się Einstein, ale pierwszego dowodu na ich istnienie (pośredniego wówczas) dostarczył około 30 lat temu PSR 1913+16 – pulsar podwójny Hulse’a i Taylor’a (za odkrycie którego otrzymali oni w 1993 roku „Nobla“ w dziedzinie fizyki fal grawitacyjnych). W obiekcie tym ma miejsce ruch peryastronu, mierzalny dzięki niezwykle regularnej rotacji wiązek promieniowania elektromagnetycznego pulsara (jeśli takie dociera akurat do Ziemi), który sugerował zacieśnianie się orbit pulsarów w tym układzie. Zatem musiał istnieć jakiś mechanizm pozwalający pozbyć się nadmiaru energii związanej z rotacją i orbitowaniem obu tych gwiazd wokół barycentrum ciasnego układu podwójnego. Tym czymś – z maksymalną osiągalną wówczas dokładnością dostępną modelom teoretycznym – były właśnie fale grawitacyjne.

Wskutek zmiany długości toru światła w jednym z ramion sumowanie się światła od obydwu daje inny wyniki niż bez fali grawitacyjnej.

A LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Waves Observatory) to niezwykle czuły detektor zdolny poczuć tramwaj przejeżdżający po rozjazdach z odległości wielu kilometrów. Coś jak podłoga parteru Filharmonii Krakowskiej przed remontem torowiska na skrzyżowaniu ulic Straszewskiego i Kościuszki, tylko miliardy razy bardziej czułe. Wykorzystuje interferometrię optyczną – na odległości kilku km potrafi zmierzyć zmarszczki czasoprzestrzeni o amplitudzie nanometrów. Do tej pory wszyscy tkwili w bardziej lub mniej nerwowym oczekiwaniu na pozytywny pomiar. Typowano obiekty które te fale mogą emitować, częstotliwości i amplitudy, wreszcie dystans z jakiego mogłyby dotrzeć do Ziemi wprawiając ją (i razem z nią i LIGO) w niedostrzegalne wibracje. I po tylu latach nasłuchu i eliminowania fałszywych alarmów, kolejnych krzepiących doniesień konferencyjnych wreszcie przebudzenie – „pierwsze światło“?

Pozwolę sobie na odrobinę osobistej refleksji. Świat naukowy, tak jak i każdy inny, kieruje się kilkoma rodzajami priorytetów, zupełnie jak w matematycznej teorii gier. Przy dużym ryzyku można sporo wygrać, a podatnik przecież czeka na wyniki… Nie twierdzę że każdy zespół naukowy temu ulega, ale im pieniądze większe – tym gra przebiega ostrzej i łatwiej o pomyłkę. Pomysłów każdy ma tyle samo, pytanie w jakich dziedzinach są one przydatne – czy chodzi o przysłowiową pietruszkę, czy o detektor wart miliardy $ którego przydatność zawsze może zakwestionować jakiś nowy prezydent, Kongres, parlament – czyli ciało które niekoniecznie musi znać się na nauce, ale przekonanie którego decyduje o dalszym finansowaniu eksperymentu.

Krzywe czułości detektorów fal grawitacyjnych i hipotetyczni ich emitenci.

Więc z odgwizdaniem zwycięstwa poczekajmy do deinitywnego końca meczu. Niech wypowiedzą się sceptycy, niech inne hipotezy zostaną wykluczone, niech wyniki zobaczą członkowie rywalizujących zespołów… Prasa już piecze swoją pieczeń, co chwalebne bo o nauce powinno być głośno a fale grawitacyjne niewątpliwie zasługują na miejsce w podręcznikach astrofizyki. Ale niech opadnie pył, niech wszystkie konkurujące hipotezy zostaną odrzucone na rozsądnym poziomie ufności. Chwała zespołowi LIGO że czekał na ogłoszenie kilka miesięcy. Myśl o czarnych dziurach zlewających się ponad 1 mld lat świetlnych od nas pobudzi dziecięce wyobraźnie tysięcy przyszłych fizyków – a przecież o to, nie tylko o pieniądze, w czystej nauce chodzi. I to jest bardzo krzepiący morał tej całej burzy informacji – są następcy, fizyka nie jest nudna, jest piękna i pociągająca tak w glorii sztokholmskiej gali jak i poprzez dziesiątki lat oczekiwania na wynik…

Pozwalam sobie na ten felieton zdając sobie sprawę, że czarne dziury nie mają gór, nie mają włosów, są tworem matematyczno-fizycznym i darmo się prosić o łatwe wyjaśnienia ich struktur. Ale te 30 lat temu ich istnienie nie było potwierdzone a dziś są kanonem bez uwzględnienia którego pewnie połowa książek o astrofizyce nie znalazłaby nabywców. Myślę, że dla kolejnych popularyzatorów fizyki i astronomii ostatnie odkrycie stanowi łakomy kąsek. Oby ich było jak najwięcej, bo są to zaiste rzeczy o których nie śniło się wielu filozofom, a które dzięki działalności osób na pograniczu wiary i nauki implikują także przewrót w myśleniu o pozycji człowieka we Wszechświecie i przesuwają granice tego poznania odrobinę dalej. A to chyba dobre i ważne, żeby możliwie jak najwcześniej dowiedzieć się że mówi się prozą.

Do zobaczenia na szlaku!

Doktorek