Fale grawitacyjne – największe odkrycie XX wieku?

Debata inaugurująca XX Festiwal Nauki w Warszawie, 21 września 2016 [1h36min]

We wrześniu i grudniu 2015 roku detektory działające w ramach projektu Ligo zarejestrowały fale grawitacyjne, o których istnieniu przypuszczano na podstawie teoretycznych obliczeń od blisko stu lat. Odkrycie spotkało się z zainteresowaniem mediów na całym świecie. Historia badań nad falami grawitacyjnymi, nowe perspektywy dla nauki po potwierdzeniu ich istnienia oraz technika umożliwiająca ich rejestrację były tematem debaty, która zainaugurowała XX Festiwal Nauki w Warszawie.

W debacie udział wzięli fizyk specjalizujący się w ogólnej teorii względności prof. dr hab. Andrzej Krasiński (Centrum Astronomiczne im. Mikołaja Kopernik PAN), astrofizyk zajmująca się symulacjami numerycznymi astrofizycznych źródeł fal grawitacyjnych oraz analizą danych z detektorów fal grawitacyjnych Virgo/Ligo prof. dr hab. Dorota Rosińska (Instytut Astronomii im. Janusza Gila UZ) oraz astrofizyk interesujący się m.in. teorią i detekcją fal grawitacyjnych w projekcie Ligo/Virgo prof. dr hab. Michał Bejger (Centrum Astronomiczne im. Mikołaja Kopernik PAN). Jego wykład zilustrowany został doświadczeniami autorstwa dr. Jana Grabskiego (Zakład Fizyki Jądrowej na Wydziale Fizyki PW)

Prof. Krasiński: Co to są fale grawitacyjne?

Debatę rozpoczęło wystąpienie prof. Krasińskiego, który opowiedział czym są fale grawitacyjne oraz o historii badania tego zjawiska. Jak mówił fizyk, fale grawitacyjne to oderwane od źródła impulsy pola grawitacyjnego. Przechodząc przez dowolny obiekt materialny, wywołują ruchy przyspieszone jednych elementów obiektu względem innych. Są wielokrotnie słabsze niż fale elektromagnetyczne, dlatego o wiele trudniej było je wykryć.

Przypuszczenie dotyczące istnienia fal grawitacyjnych wysunął już w 1916 roku Albert Einstein, który dowiódł, że istnieją uproszczone rozwiązania równań pola grawitacyjnego, które są podobne do rozwiązań równań elektrodynamiki opisujących płaskie fale elektromagnetyczne. W 1937 roku sam uczony zwątpił jednak w ich istnienie (mimo że było to wynikiem przyjęcia błędnego założenia w jego kolejnej pracy przygotowanej na ten temat razem z Nathanem Rosenem – co zauważył i poprawił jej recenzent Howard Robinson). Trzeba było dopiero ustaleń Hermanna Bondiego, Felixa Piraniego i Ivora Robinsona oraz Polaka Andrzeja Trautmana dokonanych na przełomie lat 50. i 60., żeby ostatecznie potwierdzić ich istnienie w teorii. Dały one pewność, że fale grawitacyjne przenoszą energię i mogą je emitować źródła o skończonych rozmiarach – dało to podstawę do rozpoczęcia prób ich zarejestrowania.

Prof. Rosińska: Inne spojrzenie na wszechświat

Prof. Rosińska opowiedziała o nowych perspektywach dla naukowców, jakie umożliwia rejestrowanie fal grawitacyjnych. Astrofizyk wytłumaczyła, dlaczego odkrycie otwiera zupełnie nowe perspektywy w badaniu kosmosu. Wynika to z własności fal grawitacyjnych. Są one oscylacjami czasoprzestrzeni. Bardzo słabo oddziałują z materią, dzięki czemu docierają do nas niezmienionej formie. Daje to możliwość zajrzenia tam, gdzie nie można tego zrobić w inny sposób.

Żeby obiekt był dobrym źródłem emitowania fal, musi spełniać trzy warunki: być masywny, zwarty i asymetryczny. Według ogólnej teorii względności obiekty w zależności od masy wyginają czasoprzestrzeń. Najsilniejsze fale emitują podwójne układy dwóch czarnych dziur, dwóch gwiazd neutronowych lub ich par przemiennych. Dociera do nas sygnał emitowany milisekundy przed ich zderzeniem. Możemy odczytać ich masy, rotację oraz odległość względem siebie.

Pierwsza fala zarejestrowana 14 września 2015 roku w projekcie Ligo została wyemitowana właśnie przez układ dwóch czarnych dziur – które okrążały się, zlały w jedno i pulsowały. Wydarzenie to miało miejsce 1,3 mld lat temu. Jak mówiła prof. Rosińska, fale grawitacyjne umożliwiają nam sięgacie wstecz do zjawisk, które wydarzyły się 6 mld lat temu.

Prof. Bejger: Jak zmierzyć odległość, gdy linijka zmienia długość?

Prof. Bejger tłumaczył, w jaki sposób działają urządzenia, które rejestrują fale grawitacyjne. Astrofizyk wyjaśnił, że fal tych nie można zarejestrować w jednym punkcie. Chodzi bowiem o zmianę w czasoprzestrzeni, której nie mielibyśmy z czym porównać. Czasoprzestrzeń wydłuża się i skraca – prof. Bejger porównał tę sytuację do próby pomiaru odległości linijką w sytuacji, gdy narzędzie zmienia długość.

Do rejestrowania fal grawitacyjnych używa się mas testowych (punktów). Wykorzystywane są w tym celu własności światła, którego promienie zawsze poruszają się w przestrzeni po liniach prostych z jednakową prędkością. Pozwala to zmierzyć odległość między punktami na postawie czasu przelotu światła między nimi.

Dwa detektory używane w projekcie Ligo położone są w północnej i południowej części Stanów Zjednoczonych. Chodzi o to, żeby mogły wykrywać fale niezależnie. Pozwala to uniknąć sytuacji, w której pomiary mogłyby zostać zaburzone np. w wyniku trzęsienia ziemi.

Detektory posiadają bardzo słabą rozdzielczość kątową. Im większa ich liczba, tym dokładniej można określić pozycję, z której odbierany jest sygnał. W tym celu w ramach projektu Virgo we włoskiej miejscowości Cascina niedaleko Pizy powstał trzeci detektor.

Szerzej o falach grawitacyjnych w załączonym filmie z debaty. Zapraszamy do oglądania.

***

logo_festiwalnaukiInicjatywa organizacji Festiwali Nauki w Warszawie, zapoczątkowana przez prof. Davida Shugara (fizyka i biologa molekularnego, twórcy polskiej szkoły biofizyki molekularnej) narodziła się w Interdyscyplinarnym Centrum Modelowania Matematycznego i Komputerowego (ICM) UW we wrześniu 1996 roku. Dokumentem formalnie powołującym Festiwal było Porozumienie podpisane w grudniu 1996 roku przez Rektorów Uniwersytetu Warszawskiego, Politechniki Warszawskiej i Prezesa Polskiej Akademii Nauk. Dyrektorem Festiwalu Nauki w Warszawie został dr hab. Maciej Geller z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego.

Od stycznia 2006 roku Festiwal nie jest już związany organizacyjnie z ICM. Jego animatorami są Wydział Fizyki UW i Instytut Biochemii i Biofizyki PAN, a oficjalnym reprezentantem, na mocy porozumienia Sygnatariuszy Porozumienia, pozostaje od początku Uniwersytet Warszawski. Od 2010 roku tytuł animatora otrzymał także Wydział Fizyki Politechniki Warszawskiej. W 2014 roku nowym dyrektorem Festiwalu została dr Zuzanna Toeplitz, związana z Wydziałem Psychologii Uniwersytetu Warszawskiego.

źródło: festiwalnauki.edu.pl

***

Licencja Creative Commons
Ten utwór jest dostępny na licencji Creative Commons Uznanie autorstwa-Na tych samych warunkach 3.0 Polska.

Podobne wykłady Nauka

Komentarze

Partnerzy

Lista zapisanych wykładów jest aktualnie pusta.