Przystanek nauka - portal Uniwesytetu Śląskiego w Katowicach

Teleskop Einsteina ma być obserwatorium trzeciej generacji. Jego czułość będzie 10 razy większa od czułości obecnych, drugiej generacji, detektorów fal grawitacyjnych, zwiększając tysiąc razy obserwowalny wolumen Wszechświata. To pozwoli na bardziej precyzyjne zmierzenie fal grawitacyjnych, dokładniejsze zbadanie struktury i własności źródeł astrofizycznych oraz mechanizmów emisji fal grawitacyjnych, a także geometrii, dynamiki i ewolucji całego Wszechświata. Tak wielki projekt wymaga współpracy ekspertów z wielu ośrodków naukowych z całego świata. Międzynarodowe konsorcjum badawcze Teleskopu Einsteina składa się z zespołów pochodzących z Francji, Holandii, Niemiec, Rosji, Węgier, Wielkiej Brytanii, Włoch oraz Polski. Prace polskiego zespołu kierowanego przez prof. Tomasza Bulika przysłużą się m.in. znalezieniu najlepszej lokalizacji dla teleskopu, który powinien zostać zbudowany w miejscu o najmniejszym szumie sejsmicznym.

Historia detekcji fal grawitacyjnych

Istnienie fal grawitacyjnych przewidział Albert Einstein. Sformułowawszy ogólną teorię względności, pokazał, że nowe równania pola dopuszczają rozwiązanie falowe, podobnie jak równania Maxwella, czyli że zaburzenie czasoprzestrzeni może się nie tylko propagować, ale do tego czyni to z prędkością światła. Aby takie zaburzenie powstało, musi pojawić się jakieś niestacjonarne zdarzenie skupiające w sobie niezwykle dużą masę, przebiegające bardzo szybko, a nawet gwałtownie.

W pierwszym etapie badań ludzie nie byli skłonni łatwo uwierzyć, że takie zaburzenie może być realne. Wyobraźmy sobie, że czasoprzestrzeń to arena zdarzeń, na której wszystko się dzieje, to coś, w czym jest umiejscowiony cały świat – ona zawsze była obdarzona atrybutami absolutu. Nagle okazuje się, że ta arena podlega zmianom, mało tego: następuje jeszcze ich propagacja. Do lat 50. ubiegłego wieku zastanawiano się nad realnością fal grawitacyjnych, później wysiłkiem kilkorga ludzi świat przekonał się, że jest to zjawisko jest możliwe. Wśród nich był Richard Feynman, który w 1957 roku na słynnej konferencji relatywistów w Chapel Hill pokazał, że fala grawitacyjna jest w stanie wykonać pracę przeciw sile tarcia. Warto także wspomnieć o Wernerze Israelu, który pokazał, że efektem przejścia fali grawitacyjnej może być zmiana wzajemnej konfiguracji ciał masywnych będących w swobodnym spadku. Były także prace Andrzeja Trautmana, wybitnego polskiego relatywisty, ucznia Leopolda Infelda (były asystent i współpracownik Einsteina), które stały się przełomowe dla zrozumienia fal grawitacyjnych. Wspólnie z amerykańskim fizykiem Ivorem Robinsonem Trautman opublikował opis prostych sferycznych fal grawitacyjnych, które są ścisłymi rozwiązaniami równań Einsteina. Dzięki polskiemu fizykowi, a także powstałej w Polsce szkole relatywistycznej, udało się później opracować metody numeryczne, których dziś używają zespoły LIGO i Virgo m.in. do symulacji sygnału grawitacyjnego emitowanego podczas zderzenia czarnych dziur. Polacy wnieśli też znaczący wkład do rozwoju statystycznych metod analizy sygnału detektorów fal grawitacyjnych.

Skoro przekonano się o realności fal grawitacyjnych, stanęło przed uczonymi wyzwanie, aby zarejestrować ten do niedawna ostatni brakujący element teorii względności – teorii, która z czasem uzyskała potwierdzenia wszystkich swych przewidywań.

Pierwsze rozważania nad budową detektora opierały się na prostej koncepcji walca – były to tzw. detektory rezonansowe. Pierwsza generacja takich detektorów fal grawitacyjnych powstała z inicjatywy Josepha Webera i Władimira Bragińskiego. Do końca ubiegłego stulecia rozwijano ich koncepcje. Pod koniec lat 90. istniała już sieć takich instalacji we Włoszech i w Australii (np. amerykański detektor TIGA, Truncated Icosahedron Gravitational Antenna czy włoskie detektory NAUTILUS i AURIGA). Rezonansowe detektory fal grawitacyjnych oprócz małej czułości miały kolejną wadę – były wąskopasmowe, tzn. mogły zarejestrować jedynie wąski obszar częstości fal grawitacyjnych. Zaczęto więc rozważać inną koncepcję – detektorów interferometrycznych. Pomysł polegał na tym, aby układem ciał czułym na fale grawitacyjne były lustra, pomiędzy którymi odbijane będzie światło laserowe.

– Największą czułość takie detektory mają wtedy, gdy ramiona są do siebie wzajemnie prostopadłe, a zatem wiązkę lasera dzieli się na dwie wiązki biegnące wzdłuż bardzo długich ramion interferometru tworzących wzór litery „L”. Doznawszy wielu odbić pomiędzy lustrami, wiązki zbiegają się z powrotem, są na siebie nakładane, czyli światło ulega interferencji i trafia do detektora – tłumaczy prof. Marek Biesiada. – W układzie spokojnym są one w fazie o 90 stopni przesunięte, a zatem interferencja wygasza sygnał. Gdy się natomiast coś zmieni w układzie ramion, odległości zmienią się choćby dyskretnie, to obserwujemy sygnał w detektorze.

LIGO i Virgo

W ramach projektu LIGO (ang. Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) w USA obecnie działają dwa detektory interferometryczne o ramionach długości 4 km: jeden w Hanford pobliżu Richland w stanie Waszyngton, a drugi w Livingston w stanie Luizjana. Dlaczego dwa? Fale grawitacyjne to fale poprzeczne. Detektor uzyskuje największą czułość, gdy fala pada z zenitu, prostopadle do jego płaszczyzny. Detektory mają jednak bardzo słabą kierunkowość, zatem użycie dwóch detektorów rozdzielonych przestrzennie o dużą odległość sprzyja określeniu kierunku, z jakiego dochodzi sygnał.

Początkowo konkurencyjnym projektem do LIGO był europejski detektor Virgo (nazwa pochodzi od łacińskiego określenia gwiazdozbioru Panny, w którym znajduje się najbliższa duża gromada galaktyk), który powstał pod Pizą, o ramionach długości 3 km. Od prawie dekady zespoły te przestały konkurować ze sobą, połączyły siły w kolaborację LIGO-Virgo. Ich wspólnym celem jest zaobserwowanie i próba lokalizacji źródeł fal grawitacyjnych, które powodują zaburzenia czasoprzestrzeni. Zmiany, jakich szukają naukowcy z projektu LIGO-Virgo, są jednak bardzo trudne do zaobserwowania. Czasoprzestrzeń jest areną, która drga, jest to jednak ośrodek o niesamowicie dużej sztywności. Nawet gwałtowne, niosące potężną energię i wypromieniowane z ogromną mocą zdarzenia odkształcają czasoprzestrzeń tylko minimalnie. Szacunki pokazują, że musimy się zmierzyć z dokładnością względnego pomiaru 10-21. To precyzja sięgająca tysięcznej części promienia protonu! A jednak… 11 lutego 2016 roku międzynarodowy zespół naukowców poinformował o pierwszej w historii detekcji fal grawitacyjnych. Fale zostały zarejestrowane 14 września 2015 roku przez oba detektory LIGO.

W planach jest uruchomienie globalnej sieci detektorów. W Japonii w bardzo zaawansowanym stadium znajduje się detektor KAGRA. Japończycy w kopalni Kamioka wybudowali tunel i obecnie zaczynają uruchamiać instalację. Europa ma natomiast w planach teleskop Einsteina, Australia i Chiny także rozważają budowę detektorów, do Indii zaś trafiły urządzenia pochodzące z oryginalnej wersji LIGO.

Teleskop Einsteina

Jest to jeszcze nowszej klasy detektor opierający się na koncepcji podobnej jak LIGO, czyli interferometrycznej, z tym że ramiona mają być znacznie dłuższe. Przewidywana ich długość to 10 km. Ma mieć specyficzną konstrukcję: nie dwa, lecz trzy pary ramion ułożone w trójkąt równoboczny.

– Wspomniałem, że ustawienie ramion pod kątem prostym gwarantuje maksymalną czułość takiego detektora, więc odstępstwo w postaci nachylenia pod kątem 60 stopni nieco tę czułość osłabia. Z jednej strony musieliśmy zastosować pewien kompromis, jeśli chodzi o zagospodarowanie przestrzenne i całą infrastrukturę projektu. Z drugiej – trzy pary ramion złożą się wspólnie na trzy zsynchronizowane ze sobą detektory – wyjaśnia prof. Marek Biesiada.

Teleskop Einsteina jest na razie w fazie projektu i nie wiadomo jeszcze, gdzie ma się znajdować. Badania lokalizacyjne trwają. Jest wielu kandydatów. Węgrzy proponują lokalizację w opuszczonej kopalni Matra, podobnym miejscem jest kopalnia Sos Ennatos na Sardynii. Novum teleskopu Einsteina – podobnie jak w przypadku KAGRY, która powstaje w kopani Kamioka, a w zasadzie we wnętrzu góry – polega na tym, że ma on być umieszczony pod ziemią, choć nie bardzo głęboko. W projekcie nie chodzi o odizolowanie od promieni kosmicznych czy zanieczyszczeń elektromagnetycznych, ale raczej o lepszą izolację od tzw. szumów sejsmicznych. Szumy sejsmiczne to wszelkiego rodzaju drgania gruntu, które ograniczają czułość instrumentów od strony niskich częstotliwości. Nie chodzi też o tak gwałtowne zjawiska, jak trzęsienia ziemi czy tąpnięcia w obszarze górniczym, ale znacznie subtelniejsze, np. przemieszczanie się zespołu ludzkiego czy transport kołowy w sąsiedztwie laboratorium.

– Owa jedna tysięczna części protonu to wielkie wyzwanie, tak wielkie, że nawet minimalne zaburzenia mogą mieć wpływ na wynik obserwacji. Trudno jest znaleźć takie miejsca na świecie, nie tylko w Europie. Zresztą ani LIGO, ani Virgo wcale nie znajdują się w idealnych pod tym względem lokalizacjach. Istotne jest to, na ile będziemy w stanie kontrolować te szumy – tłumaczy fizyk. – Z jednej strony trzeba zrobić coś, żeby je wyciszyć, i stąd koncepcja usytuowania detektora pod ziemią. Są też innego rodzaju szumy, które musimy zwalczyć, tj. szum termiczny. Termiczne drgania materiału, o amplitudach oczywiście przekraczających tysięczną część protonu, także trzeba wyciszyć. Tunel, w jakim światło laserowe podróżuje między lustrami testowymi, jest utrzymywany w dość wysokiej próżni, żeby cząstki powietrza w ruchach termicznych nie bombardowały układu. Są też inne zaburzenia wywołane tym, że na lustra padają fotony, czyli kwanty promieniowania elektromagnetycznego. Każdy kwant „biegnący” jeden za drugim, i to jeszcze chaotycznie, indukuje zaburzenia, które wpływają negatywnie na czułość.

Udział w projekcie grupy prof. Marka Biesiady, w której oprócz profesora znajduje się dr Aleksandra Piórkowska-Kurpas z Zakładu Astrofizyki i Kosmologii UŚ oraz doktoranci i współpracownicy z Chin, polega obecnie głównie na badaniach teoretycznych.

– Zajmujemy się przewidywaniami dotyczącymi wyników, jakie teleskop Einsteina będzie uzyskiwał. Innymi słowy przewidujemy, jakiego rodzaju informacje, niedostępne dla tradycyjnych metod obserwacji, moglibyśmy uzyskiwać. W szczególności interesuje nas to, co dobrego detektor nowej generacji może uczynić dla kosmologii, dla rozwiązania zagadki ciemnej energii, odpowiedzi na pytania fizyki fundamentalnej. Przy pomocy takich detektorów będzie można testować prawdziwość Einsteinowskiej teorii grawitacji. Można by się zastanowić, czy fale grawitacyjne, które odkryliśmy jako klasyczne, mają też naturę kwantową, tzn. czy istnieją grawitony i czy poruszają się faktycznie z prędkością światła.

Spodziewamy się, że teleskop Einsteina będzie w ciągu roku rejestrować od tysiąca do 10 tys. zdarzeń tego typu, jakie zarejestrował LIGO w ubiegłym roku, czyli błysków promieniowania grawitacyjnego.

Projekt teleskopu Einsteina to duży projekt międzynarodowy. W polską część projektu są zaangażowani także badacze z Uniwersytetu Warszawskiego, Politechniki Warszawskiej, Uniwersytetu Zielonogórskiego, Uniwersytetu w Białymstoku, a także dwóch jednostek PAN – Instytutu Matematycznego i Centrum Astronomicznego im. Mikołaja Kopernika. Trzon zespołu tworzą prof. Andrzej Królak, prof. Tomasz Bulik, prof. Dorota Rosińska-Gondek, prof. Piotr Jaranowski, dr hab. Michał Bejger. Projekt kierowany jest przez prof. Tomasza Bulika z Uniwersytetu Warszawskiego.