Otwórz schowek Brak ulubionych odcinków
Co słychać w falach grawitacyjnych? [E09]

Co słychać w falach grawitacyjnych? [E09]

E09
Pobierz Dodaj do ulubionych

Udostępnij odcinek

E09
Pobierz Dodaj do ulubionych

Udostępnij odcinek

Dodaj do ulubionych
Pobierz odcinek

Udostępnij odcinek

Rejestracja fal grawitacyjnych w 2015 roku rozgrzała świat nauki i nie tylko. Chyba każdy słyszał o tym majstersztyku naukowo-technologicznym. Ale co najważniejsze, ta detekcja niczego nie zamykała, ona otworzyła nową astronomię: astronomię fal grawitacyjnych. Dlatego w dziewiątym odcinku Radia Naukowego sprawdzam, czego nowego, przez te kilka lat, dowiedzieliśmy się o Wszechświecie.

Fale grawitacyjne rejestrowane przez nasze detektory są w częstotliwościach bardzo podobnych do częstotliwości, na jakie czułe jest ludzkie ucho. Dlatego sygnały możemy przepisać na dźwięk. Stąd porównania, że nie tyle zyskaliśmy nowe „oko”, co nowe „uszy” na kosmos. – Ta nowa para uszu dostarcza nam wiedzę na temat części Wszechświata, której nie mogliśmy wcześniej obserwować, bo nie promieniuje w falach elektromagnetycznych, albo promieniuje tak słabo, że nie jesteśmy w stanie tego wykryć – opowiada w Radiu Naukowym dr hab. Michał Bejger, profesor w Centrum Astronomicznego im. Mikołaja Kopernika PAN. – Okazało się, że w tej niewidzialnej części jest jakieś kompletne zoo, menażeria układów podwójnych z różnymi typami czarnych dziury, niektóre są bardzo, bardzo masywne – dodaje.

Musicie wiedzieć, że prof. Bejger mówi o tych bardzo masywnych czarnych dziurach z dużym szacunkiem. Zaskoczyły go. W podcaście usłyszycie dlaczego.

Rozmawiamy też o ekstremalnych gwiazdach neutronowych (których sąsiedztwo byłoby bardzo niezdrowe, a których Michał Bejger jest fanem), jak fale grawitacyjne odciągają nasze stopy od głowy, jak Einstein chciał sam siebie przekonać, że nie mogą one istnieć, choć wynikały z jego teorii… Polecam!

Jeśli chcecie wiedzieć więcej na ten temat, to zachęcam do lektury książki mojego przyjaciela, prof. Jean-Pierre’a Lasoty i Nathalie Deruelle „Fale grawitacyjne. Nowa era astrofizyki”. Kompaktowa pozycja, w której znajdziecie wszystko co najważniejsze w tym temacie.

Możecie również przyłączyć się do pracy astrofizyków udostępniając moce obliczeniowe swoich komputerów w projektach: EinsteinAtHomeGravity Spy.

 

Przygotowanie każdego odcinka to wiele godzin pracy. Jeśli podobał Wam się ten podcast – możecie go wesprzeć w serwisie Patronite. Dzięki!

Grafika ilustracyjna pochodzi ze stron detektora LIGO, to wizualizacja sygnału zarejestrowanego 21 maja 2019 roku.

TRANSKRYPCJA

Karolina Głowacka: Dzień dobry. Cieszę się, że jesteście. Więcej o projekcie i o mnie przeczytacie na radionaukowe.pl i w serwisie Patronite.

Fale grawitacyjne to zjawiska tak dziwne, że sam Einstein miał problem z ich zaakceptowaniem, a ich rejestracja jest tak trudna, że przez lata wydawała się niemożliwa. Ale udało się, co jest majstersztykiem naukowo-technologicznym. Co teraz po pięciu latach od tego wydarzenia słychać w falach grawitacyjnych? Radio Naukowe, odcinek dziewiąty. Zaczynamy.

Do rozmowy zaprosiłam astrofizyka, który jest bezpośrednio zaangażowany w temat, bo zajmuje się analizą danych dotyczących fal grawitacyjnych. Ów naukowiec, jak sam o sobie pisze, lubi ekstrema, np. gwiazdy neutronowe – obiekty masywniejsze od Słońca, ale będące wielkości miasta. O nich też wspomni w tym odcinku. Będzie historia, współczesność i przede wszystkim przyszłość astronomii.

***

K.G.: Gościem Radia Naukowego jest doktor habilitowany Michał Bejger. Dzień dobry.

Michał Bejger: Dzień dobry.

K.G.: Astrofizyk z Centrum Astronomicznego im. Mikołaja Kopernika Polskiej Akademii Nauk. Na pewno pamiętacie, jak pięć lat temu media obiegła informacja, że zarejestrowaliśmy czy też odkryliśmy, jak niektórzy mówili, fale grawitacyjne. Media sobie radziły dość różnie, jeśli chodzi o sposób raportowania tego wydarzenia, ale w zasadzie w każdym dzienniku się ta sprawa pojawiła. Słyszeliśmy: wielka fizyka, wielkie osiągnięcie, nowa astronomia się przed nami otworzyła. Minęło pięć lat. I czy rzeczywiście tak jest, że otrzymaliśmy nowe oko, nowy sposób patrzenia na Wszechświat? Czy te fale grawitacyjne, tak jak nam wtedy obiecywano, otworzyły przed nami jakieś nowe przestrzenie, nowe obiekty, nowe możliwości? Jak to jest?

M.B.: Jest tak, że po tych pięciu latach stało się dużo rzeczy. To znaczy, jesteśmy bardzo zmęczeni, bo działo się dużo, ale mogę powiedzieć, że nie dostaliśmy nowego oka, tylko nowe ucho, coś podobnego do ucha, coś komplementarnego do innych zmysłów, a to ucho ma dodatkowo jeszcze taką śmieszną relację z przestrzenią, w której pracujemy, z detektorami, których używamy, ponieważ one rejestrują fale grawitacyjne w pewnych częstotliwościach. I te częstotliwości są prawie dokładnie takie jak czułość ludzkiego ucha, czyli od kilkudziesięciu do kilku tysięcy herców. Można by było tak naprawdę słuchać tego wprost uchem. To ucho jest lepszym przybliżeniem tego, co robimy dlatego, że nie patrzymy na te nasze źródła, bo one są najczęściej niewidoczne dla oka, więc tak jakby ich słuchamy.

K.G.: Skoro już pan o tym mówi, to może przypomnę wam, jak brzmiały pierwsze zarejestrowane przez Ziemian fale grawitacyjne. Uwaga.

[dźwięk fal grawitacyjnych]

K.G.: Takie króciutkie dźwięki. No i co z takiego sygnału można w ogóle wyczytać?

M.B.: No tak, może się to wydawać mało atrakcyjne.

K.G.: Tyle pieniędzy na to poszło. [śmiech]

M.B.: Rzeczywiście, trochę to kosztowało, ale też nie jest tak, że to kosztuje jakoś strasznie dużo. Jesteśmy w miarę tani w porównaniu do innych eksperymentów, np. do CERN-u, i w miarę efektywni, bo wykrywamy teraz te nasze sygnały już dość regularnie. Teraz mamy piękną rocznicę – pięćdziesiąt sygnałów po pięciu latach, więc mamy taki przegląd różnych źródeł. Natomiast rzeczywiście, ten sygnał brzmi dziwnie. Mówimy na to ćwierk albo ćwierknięcie, bo ten sygnał zachowuje się trochę jak ćwierk ptaków, to znaczy, rosną jego częstotliwość i amplituda w krótkim okresie. Jest to sygnał wysyłany w ostatnich momentach życia układu podwójnego, który traci energię w falach grawitacyjnych, i w związku z tym te składniki się do siebie zbliżają. W pewnym momencie te składniki – w tym konkretnym przypadku były to dwie czarne dziury – zderzają się i łączą w jedną większą czarną dziurę. I z tego audio sygnału, który był tutaj wyemitowany, da się to wszystko wyliczyć. Możemy dopasować model, który jest przewidywaniem teorii względności. W tym modelu są masy czarnych dziur, masa tego końcowego składnika, jak szybko się te składniki kręcą wokół własnych osi i inne parametry. Więc możemy na ucho, że tak powiem, dowiedzieć się czegoś o tym układzie. I przypominam, że to się wszystko dzieje w całkowitej ciemności, niczego nie widzieliśmy na oko, tylko usłyszeliśmy to dzięki naszym detektorom.

K.G.: To przypomnijmy, czym są fale grawitacyjne. Bo wiemy, czym są fale dźwiękowe. Rozumiemy to jakoś, w takim zwykłym codziennym pojęciu jesteśmy w stanie to ogarnąć. Widzimy, jak się zachowują np. fale na wodzie. Pewnie z falami elektromagnetycznymi, światłem ciężej wychodzi to wyobrażanie, no ale jesteśmy z tym zaznajomieni, korzystamy z tego na co dzień. A fale grawitacyjne to jest w zasadzie co? Gdzie te fale się rozchodzą, w czym one się rozchodzą? Czego to są fale?

M.B.: Dla mnie jednym z kluczowych odkryć w tej dziedzinie jest to, kiedy możemy pokazać, że czasoprzestrzeń czy przestrzeń i czas są ze sobą związane, tak jak jest przewidziane w teorii Einsteina. I ta czasoprzestrzeń, pusta przestrzeń między obiektami jest czymś fizycznym. To nie jest nic, to jest pewien twór, jakiś obiekt. W tej przestrzeni mogą propagować się fale. Czyli w pewnym sensie to i następne odkrycia udowadniają, że ten taki XIX-wieczny, a nawet wcześniejszy pomysł, czyli eter… Eter był on wymyślony po to, żeby wyjaśnić, jak to jest możliwe, że ciała w ogóle mogą się przyciągać grawitacyjnie, jeśli są od siebie odległe, jak ta siła się propaguje między odległymi od siebie ciałami. Newton miał z tym problem.

K.G.: Czyli eter miał być takim nośnikiem, wypełniaczem Wszechświata?

M.B.: Dokładnie. No bo jak wyjaśnić to, że ciała się przyciągają, mimo że są od siebie odległe i nie dotykają się, nie ma między nimi żadnego takiego widocznego oddziaływania? Ten eter był czymś słabo oddziałującym, nie za silnie, nie za słabo, czymś idealnym. No i ta czasoprzestrzeń jest takim nowoczesnym eterem. Rozumiem, że to jest dość kontrowersyjne stwierdzenie, że odkryliśmy eter, bo nie odkryliśmy go. Odkryliśmy coś jakby eter – i to jest czasoprzestrzeń.

K.G.: Spełniające funkcję, tak?

M.B.: Tak. Ci, na których barkach stoimy, Newton, Einstein itd., mieli dobrą intuicję, przeczuwali, że tego typu rzeczy są istotne. W fizyce zawsze wszyscy myślimy analogiami, zawsze do czegoś przyrównujemy. Więc te fale grawitacyjne to są tak jakby fale na wodzie albo fale elektromagnetyczne – też są poprzeczne tak jak fale elektromagnetyczne, tylko że fale elektromagnetyczne są zjawiskiem związanym z obecnością pola elektromagnetycznego. I tym polem jest pole grawitacyjne, które jest jakby zakodowane w tej czasoprzestrzeni. Z punktu widzenia teorii Einsteina to jest czysta geometria. To znaczy, te fale grawitacyjne to są takie zaburzenia odległości i przepływu czasu w przestrzeni i w czasie. Więc obserwujemy fale grawitacyjne jako takie drobne zaburzenia, które się propagują od źródła, ale to są właśnie takie drobne zmiany w odległościach w przestrzeni. I możemy to wykryć.

K.G.: Czyli kiedy taka fala grawitacyjna przechodzi przez Ziemię, to co się dzieje np. między Nowym Jorkiem a Chinami? Czy one są nagle bliżej siebie, trochę dalej? 

M.B.: Są trochę bliżej, trochę dalej, potem znowu troszkę bliżej, zależnie od tego, co to za fala. Te zmiany są bardzo, bardzo, bardzo małe.

K.G.: Jak małe?

M.B.: Są dużo, dużo mniejsze od rozmiarów atomów. To są miliardowe miliardowych części metra, bardzo, bardzo małe zmiany – w przypadku tych fal, które wykrywaliśmy. W związku z tym nie da się ich tak po prostu poczuć. Jakieś słabe fale przechodzą przez nas nawet teraz. Wiemy już, że istnieje populacja obiektów, które produkują fale, więc raz na jakiś czas na pewno takie fale przechodzą w trakcie tej audycji. My ich nie wyczuwamy, tak jak nie wyczuwamy innych rzeczy, które spadają na Ziemię, np. strumień neutrin bombarduje nas przez cały czas i nie czujemy tego.

K.G.: Ale to jest takie typowe dla fal grawitacyjnych, że to jest zjawisko niewielkie, czy to wynika z tego, że po prostu w naszym pobliżu nie było czegoś, co by te fale wzbudziło? Czy to jest tak, że np. tuż przy tych dwóch czarnych dziurach, które krążyły wokół siebie w układzie podwójnym, o którym pan mówił, i ostatecznie się ze sobą zlały, byłoby to odczuwalne? Co prawda bycie obok czarnej dziury to nie jest jakiś rozsądny pomysł, no ale powiedzmy, we względnie bezpiecznej odległości byłoby to odczuwalne? To jest silne zjawisko?

M.B.: Tak, byłoby. Jest tak, że my rejestrujemy amplitudę fali, która oczywiście maleje od źródła odwrotnie proporcjonalnie do odległości. Tak jak każda amplituda każdej fali. To, że te amplitudy, które mierzymy, są takie malutkie, jest związane z tym, że te nasze źródła są bardzo daleko od nas. Natomiast, gdybyśmy byli blisko źródła, to by nami bujało jak na łódce w trakcie sztormu. Ten efekt to jest tak naprawdę taki Newtonowski efekt oddziaływania pływowego. Tak jak Księżyc ciągnie za sobą morza i oceany i wywołuje przypływy i odpływy, tak te fale grawitacyjne przesuwają masy w tę i we w tę, oczywiście mocniej jak jesteśmy bliżej źródła, a bardzo słabo jak jesteśmy bardzo daleko.

K.G.: Ale przyzna pan, że to trochę dziwne, bo to byłoby nie tylko tak, że Pekin byłby w innej odległości od Nowego Jorku, potem byłby znowu bliżej, a potem dalej, tylko, jak rozumiem, czubek mojej głowy byłby w różnej odległości od moich stóp? Bo też jestem jakoś rozciągnięta w tej przestrzeni.

M.B.: A potem troszkę skurczona, bardzo minimalnie.

K.G.: To trochę dziwne, nie?

M.B.: Tak, ale tak działa świat. [śmiech]

K.G.: Czyli przyrody nie obchodzi nasze poczucie smaku.

M.B.: Dokładnie. Czas płynie inaczej w różnych miejscach i to można też zmierzyć na Ziemi, np. można stwierdzić, że na dole budynku czas płynie troszkę wolniej, a na najwyższym piętrze troszkę szybciej. To da się zmierzyć.

K.G.: Pytam o to dlatego, że teoria względności Einsteina wywołuje w nas często różne opory ze względu na rzekome paradoksy, to znaczy, zjawiska, które wydają się niemożliwe. To budzi w nas opór, ale w samym twórcy przewidywania jego teorii również ten opór budziły, prawda? Ta słynna historia, że sam Einstein nie lubił czarnych dziur i nie chciał się pogodzić z tym przewidywaniem swojej własnej teorii. A fale grawitacyjne? Akceptował, że coś takiego może istnieć?

M.B.: To jest ciekawa historia. Czarna dziura w teorii względności jest związana z czymś, co jest takim matematycznym problemem, który nazywa się osobliwością. Ta teoria w tym miejscu, w środku czarnej dziury, w centrum przestaje działać. Więc rozumiem twórcę teorii, któremu się mówi: słuchaj, masz tu rozwiązanie, które w pewnym momencie jest jakieś osobliwe. Można tego nie lubić. Natomiast, jeśli chodzi o fale grawitacyjne, to rzeczywiście, było tak, że Einstein bardzo wcześnie przewidział ich istnienie w swojej teorii, bo one były przewidywane wcześniej, w innych teoriach, mniej doskonałych. Tak naprawdę nawet w XIX wieku fale grawitacyjne były przewidywane w teorii bardzo podobnej do teorii elektromagnetycznej Maxwella. Tak że to nie jest tak, że Einstein przyszedł i nagle wszystko wymyślił. To był taki proces. W każdym razie przewidział on fale grawitacyjne w swojej teorii, stwierdził, że są one tak małe, że w ogóle nie ma szans ich wykryć, a potem wracał do tego tematu raz na jakiś czas, żeby pokazać, że one nie istnieją dlatego, że mu się nie podobały pewne wnioski wynikające z tego rozwiązania, więc próbował przekonać innych i samego siebie, że te rozwiązania są w jakimś sensie sztuczne, są artefaktami matematycznymi teorii i tak naprawdę nie istnieją. No ale wielokrotnie popełniał błędy. Było to związane z tym, że wtedy jeszcze nawet twórca teorii względności nie za bardzo rozumiał swoją teorię.

K.G.: Dzieło przerosło twórcę.

M.B.: On był genialny na mnóstwo sposobów, natomiast być może nie był najgenialniejszym matematykiem. Miał świetną intuicję fizyczną i ta intuicja była gigantyczna. Ale w takich detalach, np., czy pewne rozwiązanie jest bardziej poprawne, czy jest artefaktem, trzeba stosować taki rygorystyczny mechanizm lub metody matematyczne, no i tutaj można się bardzo łatwo pomylić. Właśnie na tym polega ta względność w teorii względności, że trzeba wybrać dobrze układ odniesienia, w którym się coś mierzy, żeby nie zobaczyć czegoś, co nie jest prawdziwe. Więc np. dopiero później, po II wojnie światowej przyszło nowe pokolenie fizyków, w szczególności Andrzej Trautman, którzy byli mniej osobiście do tego nastawieni, co też jest istotne, i pewne rzeczy widzieli jaśniej. Było wtedy już jasne, że fale grawitacyjne są efektem fizycznym, przenoszą energię, można je zmierzyć, no ale to były dopiero lata pięćdziesiąte.

K.G.: To jest niesamowite, że to nastawienie fizyków, ich podejście do różnych zagadnień, różne osobiste ambicje czy preferencje również mają znaczenie, jeśli chodzi o naukę. Ale na ten temat kiedyś więcej w Radiu Naukowym na pewno wam opowiem z moim znakomitym kolegą – profesorem Jean-Pierre’em Lasotą, z którym napisaliśmy książkę na ten temat. Ale to następnym razem. Panie doktorze, powiedział pan o tym, że te efekty są niezwykle, niezwykle małe, że to jest miliardowa część rozmiarów atomów. No to w jaki sposób udało się nam je zarejestrować? Jak się to udało uzyskać, skoro te efekty są tak małe, skoro inżynieryjnie udało się opracować takie urządzenia, o których mamy pewność, że to, co zarejestrowaliśmy, to nie jest tąpnięcie myszy trzydzieści kilometrów dalej, tylko właśnie ta fala grawitacyjna? Jak to się mierzy?

M.B.: No właśnie, to też jest bardzo ciekawa historia, bo po tych latach pięćdziesiątych, kiedy teoretycy w końcu zaczęli dobrze rozumieć, że fale grawitacyjne to nie jest żaden artefakt, wymysł matematyczny, pomysł, który nie jest fizyczny, inżynierowie i fizycy eksperymentalni zaczęli próbować wykryć fale. No i najpierw próbowano zarejestrować tę energię fali. Fala jako fizyczne zjawisko niesie energię, więc można złapać trochę tej energii i w związku z tym stwierdzić, że fala przechodzi przez nasz detektor. To się nie udało, było z tym dużo problemów, ale w trakcie tych różnych eksperymentów i porażek, wypracowało się wiele technologii i metod badawczych, np., że trzeba mieć wiele detektorów, które działają w tym samym czasie, trzeba robić takie ślepe badania, żeby nie wiedzieć, gdzie ten sygnał dokładnie jest, żeby eksperymentator nie próbował nadinterpretować. Bo to też jest problem, że ludzie próbują na siłę coś znaleźć i wtedy gubi się obiektywność.

K.G.: A więcej detektorów jest po to, żeby mieć takie same sygnały, żeby to stąpnięcie myszy w pobliżu nie powtórzyło się gdzieś dalej, tak?

M.B.: Tak, my to nazywamy koincydencjami. Te detektory są bardzo czułe, w związku z tym wykrywają głównie jakieś zakłócenia. Jest to głównie szum i raz na jakiś czas jest tam gdzieś ukryty malutki ćwierk, który zresztą normalnie nie byłby słyszany. Musieliśmy go specjalnie wykopać, oczyścić z szumu, odkurzyć i dopiero wtedy można go było posłuchać. Tak że ta cała technologia, analiza danych musiała zostać wypracowana itd. Ale to jest oczywiście istotne, jeśli już mamy dane. Natomiast, żeby je zdobyć, trzeba zbudować detektor. Ten detektor, który wykrywa energię fali, formalnie może działać, ale z nim jest strasznie dużo problemów. To jest taki blok jakiegoś kryształu, jakiegoś aluminium, który drga wtedy, kiedy przez niego przechodzi fala grawitacyjna. Jest to strasznie trudne.

K.G.: Mimo tego, że mówi pan o tym, że to słyszymy, to te detektory nie są oczywiście mikrofonami.

M.B.: Nie. To jest taka analogia, bo tego nie da się usłyszeć uchem, ale jest to pasmo audio, od kilkudziesięciu herców w górę. Tak że można by było podłączyć sobie słuchawkę, słuchać tego szumu i raz na jakiś czas być może usłyszeć sygnał, jeśli byłby na tyle silny, żeby się przebić przez szum. Ten kryształ był niezbyt dobrym pomysłem, nie doprowadził on do detekcji. Potem powstał alternatywny pomysł, żeby nie badać energii fali, tylko żeby sprawdzać, jak różne odległe od siebie punkty w czasoprzestrzeni są położone względem siebie, czyli tak jakby mierzyć ich odległość między sobą albo mierzyć czas podróży sygnału światła. Nie sygnału fali grawitacyjnej, tylko np. fotonu światła, który by się odbijał od jednego punktu do drugiego i w ten sposób mierzył odległość albo czas. No i to wymaga zbudowania stabilnego lasera, bardzo wysokiej próżni, w której ten laser może sobie świecić i się nie rozpraszać na żadnych cząstkach światła, bardzo wyrafinowanych lusterek, które odbijają te laserowe światła w praktycznie idealny sposób, całej izolacji sejsmicznej i izolacji praktycznie wszystkiego, co się tylko da, żeby te lustra się nie ruszały z innych powodów niż te, których byśmy chcieli, czyli żeby były ruszane tylko falą grawitacyjną, która raz na jakiś czas przechodzi przez ten cały system itd. Detektor musi być duży, żeby wykryć małą zmianę odległości między tymi lustrami. Ten instrument, który tak trochę naokoło tutaj opisuję, nazywa się interferometr. On bada zmiany odległości między pewnymi punktami za pomocą interferometrii światła, czyli tak naprawdę używamy światła jako linijki do mierzenia odległości między punktami w przestrzeni, które są od siebie oddalone, jak najbardziej tylko się da, jak najbardziej jest to technologicznie możliwe. W tym przypadku jest to parę kilometrów. Mamy takie kilkukilometrowe trójkąty, które sobie leżą w różnych miejscach na Ziemi – są dwa w Stanach, jeden w Europie we Włoszech, jeden w Japonii – i raz na jakiś czas, jak przez Ziemię przechodzi fala grawitacyjna, odległości między tymi lusterkami troszkę się zmieniają i wtedy wykrywamy błyski światła interferometru w taki sposób, który jest konsystentny z falą grawitacyjną.

K.G.: No właśnie, mówił pan, że już pięćdziesiąt takich detekcji udało się wam wyłuskać z dostępnych danych w ciągu tych pięciu lat. Pod koniec października pojawił się nowy katalog obserwacji fal grawitacyjnych – jest to taki zbiór danych, z którego później mogą korzystać naukowcy. Co takiego udaje się usłyszeć, zaobserwować dzięki falom grawitacyjnym? Zaczęliśmy od tego, że pierwsza detekcja fal grawitacyjnych to była detekcja tego wydarzenia, jakie się odbyło dawno, dawno temu, czyli zderzenia się dwóch wirujących wokół siebie czarnych dziur. Wiem, że mówił pan o tym, że dopasowuje się modele, że można to zweryfikować, ale to jest naprawdę trudne do pojęcia, jak z takiej drobiny można wykrzesać tak różne informacje. Bo różne rzeczy zaobserwowaliście, prawda? Niech pan o tym trochę opowie.

M.B.: Tak, okazuje się, że jak już mamy trochę tych różnych sygnałów, to te parę uszu, które mamy i które wszystkie sprawnie działają, dostarczają nam wiedzę zupełnie inną niż wcześniej na temat tej części Wszechświata, której wcześniej nie mogliśmy obserwować, bo ona nie promieniuje falami elektromagnetycznymi, światłem, nie wysyła fal radiowych. Albo być może wysyła, ale tak słabe, że nie można ich wykryć.

K.G.: Czyli taka część Wszechświata bardzo, bardzo odległa od nas, tak?

M.B.: Te obiekty mogą być nawet w naszej galaktyce. Natomiast nawet gdyby były, to nie moglibyśmy ich wykryć bez tych detektorów, bo czarna dziura nie świeci w świetle widzialnym, radiowym, w promieniowaniu rentgenowskim, w żadnym. Jeśli naokoło tej czarnej dziury nie ma materii, to jest ona po prostu czarna, tak jak nazwa wskazuje. Dzięki temu mamy taką informację czy nową wiedzę na temat tej niewidzialnej części Wszechświata, w której okazuje się, że jest jakieś kompletne zoo, jakaś menażeria tych układów podwójnych z różnymi typami czarnych dziur, większymi, mniejszymi, bardzo mało masywnymi, bardzo masywnymi. Jest jedna bardzo masywna, która jest związana z bardzo fajną historią, taką bardziej astronomiczną. Dzięki pomiarom – bo w tych sygnałach jest zakodowana masa czarnych dziur – możemy się dowiedzieć o całej populacji czarnych dziur, których inaczej nie widzimy. Teraz jest tak, że mamy pięćdziesiąt pomiarów mas czarnych dziur razy dwa, bo mamy dwa składniki w układzie, potem już mamy powyżej stu pomiarów, czyli o wiele więcej niż w promieniowaniu elektromagnetycznym, które do tej pory pomierzyli nasi koledzy. W pięć lat zrobiliśmy taki postęp, że mamy o wiele większą populację czarnych dziur niż ta, która jest osiągalna za pomocą takich normalnych pomiarów elektromagnetycznych czarnej dziury, na którą spada jakaś akrecja materii i ona świeci, i wtedy można oszacować jej masę. Tak że to jest bardzo ciekawe, że mogą być małe i duże czarne dziury, mogą tworzyć pary, w których mają podobne masy, a mogą być takie, gdzie jest jedna masywna czarna dziura i druga bardzo mało masywna – może być taka niesymetryczna sytuacja. Może być też tak, że dwie bardzo masywne czarne dziury są w układzie podwójnym, spotykają się, zderzają i tworzą jeszcze bardziej masywną czarną dziurę, taką, która wykracza poza zakres mas, który nam się wydaje, że jest możliwy do stworzenia z gwiazd. Bo te czarne dziury, o których mówię, powstają z masywnych gwiazd, które ewoluują. Na końcu ta gwiazda jest niestabilna i zapada się pod własnym ciężarem. To zapadanie się tworzy czarną dziurę. Ale jest pewna granica masy, do której można ją stworzyć. Po prostu nie istnieją takie masywne gwiazdy, nie da się takich masywnych gwiazd dostać, przynajmniej z tego, co wiemy. Pojawia się pytanie, skąd się biorą bardziej masywne czarne dziury. Tutaj pokazujemy, że właśnie stąd, że mogą się zderzyć dwie bardzo masywne czarne dziury i one tworzą jeszcze bardziej masywne, powyżej stu mas Słońca, a one mogą tworzyć jeszcze bardziej masywne, tzw. supermasywne czarne dziury, które mają miliony albo nawet miliardy mas Słońca. Więc jest cała hierarchia.

K.G.: To jakiś taki gargantuiczny nienasycony potwór stanął mi przed oczami, szczerze mówiąc. [śmiech]

M.B.: No tak, czarna dziura może tylko rosnąć. I tak właśnie jest, że one się zderzają i tworzą się coraz większe obiekty, np. ta czarna dziura w centrum naszej galaktyki, która była bohaterką Nagrody Nobla w tym roku, ma cztery miliony mas Słońca. I tak naprawdę jest dość mało masywną supermasywną czarną dziurą. Bo są takie, które mają miliardy mas Słońca. Czyli ta nasza jest taka trochę, powiedzmy, drugoligowa w porównaniu do innych galaktyk, gdzie jest naprawdę potężna o miliardowej masie. Ale ona i tak jest masywna. No i jest pytanie, skąd się wzięła. Być może ona rośnie poprzez pochłanianie trochę mniejszych czarnych dziur. No i tak właśnie to badamy, mamy teraz do dyspozycji tego typu informacje, które zaczynają nam pokazywać, o co tutaj chodzi.

K.G.: Czyli te pięć lat już dały nam nową wiedzę czy postawiły nowe pytania? Czy każą w jakiś sposób zmodyfikować nasze założenia dotyczące np. modeli czarnych dziur?

M.B.: Dały dużo odpowiedzi, ale oczywiście postawiły też wiele pytań. No bo to tak jest, że jak się ma parę odpowiedzi, to pojawiają się też nowe pytania. Po pierwsze wiemy, że istnieją czarne dziury. To jest taki bezpośredni dowód na ich istnienie, ten pierwszy pomiar. To było niezaprzeczalne. Zresztą wydaje mi się, że też z tego powodu Nagroda Nobla w 2017 roku została przyznana tak szybko, bo nie da się dużo dyskutować z tym sygnałem. On rzeczywiście wygląda jak zderzenie dwóch czarnych dziur. Wiemy, że istnieją układy podwójne czarnych dziur, że one mogą być o różnych masach, mogą się zachowywać w różny sposób, mogą się kręcić wokół własnych osi na różnych odległościach w Kosmosie. Więc jest to taka dodatkowa rzecz, którą można wykorzystać w przyszłości, na razie jeszcze nie, bo mamy za mało pomiarów, ale do takiego mapowania całego Wszechświata wręcz w takich odległościach kosmologicznych. Te fale grawitacyjne praktycznie nie oddziałują z niczym do momentu, kiedy przylatują do naszego detektora. Więc możemy mieć taki nowy sposób próbkowania, mierzenia odległości we Wszechświecie dzięki falom grawitacyjnym. Czyli są to czarne dziury, rzeczy, które nie świecą, możemy je badać w ten sposób, w jaki wcześniej nie mogliśmy. Natomiast ta druga sprawa, która jest równie ekscytująca i jest troszkę ważniejsza dla tradycyjnych astronomów, to jest powiązanie z wcześniejszym typem obserwacji Wszechświata. Możemy obserwować fale grawitacyjne i jednocześnie fale elektromagnetyczne, neutrina, cząstki kosmiczne, czyli robić taką wspólną obserwację. To jest zupełnie fascynujące, bo np. mamy sygnał, że jest fala grawitacyjna i możemy zapytać naszych kolegów z teleskopu albo z satelity, czy oni też coś zobaczyli. Oni mogą nic nie zobaczyć, co jest ciekawe, ale mogą też coś zobaczyć, co też jest ciekawe. Z tego dodatkowego kanału informacyjnego wyciągamy wnioski, np. w kwietniu 2019 roku była taka detekcja układu podwójnego bardzo mało masywnych obiektów. W sumie ten układ podwójny ważył trzy przecinek cztery dziesiąte masy Słońca. Był prawie jak Słońce, ale troszkę bardziej masywny. Wydaje się nam, że to były gwiazdy neutronowe. Czyli nie czarne dziury, tylko takie bardzo gęste gwiazdy, które ważą około masy Słońca.

K.G.: No właśnie, chciałam o nie pana zapytać, bo gwiazdy neutronowe są takimi kopciuszkami wobec czarnych dziur. Wszyscy tylko o tych czarnych dziurach, a to też są przecież fascynujące obiekty.

M.B.: Nie wiem, czy są kopciuszkami…

K.G.: Oj, przejdzie się pan po ulicy i zapyta o czarne dziury, a potem o gwiazdy neutronowe. [śmiech]

M.B.: W pewnym sensie gwiazdy neutronowe też są straszliwe i przerażające dlatego, że są to najbardziej ekstremalne obiekty materialne, które znamy we Wszechświecie. W ich wnętrzach zachodzi ekstremalna fizyka. Jest tam materia, która jest o wiele gęstsza niż we wnętrzach jąder atomowych. I one promieniują straszliwą energię elektromagnetyczną we wszystkich możliwych długościach fal. No po prostu są zabójcze.

K.G.: To znaczy, że są superjasne?

M.B.: Niektóre mogą takie być. Naprawdę, jeśli mielibyśmy gdzieś w pobliżu taką gwiazdę neutronową, nawet nie w Układzie Słonecznym, tylko gdzieś w okolicy, to by była dla nas zabójcza, bo cały czas by nas prześwietlała promieniowaniem rentgenowskim albo jakimś gamma i to by było bardzo nieprzyjemne. Natomiast ta zagadka, która jest w ich wnętrzach, czyli to, z czego one się składają, to jest taki klucz do zrozumienia budowy materii. Czyli czarne dziury uczą nas o tym, jak działa czasoprzestrzeń i geometria czasoprzestrzeni i ta rzecz jest związana z zakrzywieniem czasoprzestrzeni, w języku teorii Einsteina. Natomiast gwiazdy neutronowe są również relatywistyczne, bardzo podobne do czarnych dziur, ale zbudowane z materii. I tam jest ta bardzo, bardzo gęsta materia jądrowa albo powyżej gęstości jądrowej, o której niewiele wiemy. Więc badanie gwiazd neutronowych zbliża nas do odpowiedzi na pytanie, jak materia się zachowuje w takich ekstremalnych momentach, np. na początku Wszechświata ona była bardzo, bardzo gęsta i gorąca. Gwiazdy neutronowe są w zasadzie jedynymi miejscami, gdzie możemy to badać. No ale możemy też je wykrywać właśnie w falach grawitacyjnych i to jest bardzo ciekawe, bo ten sygnał, ten ćwierk jest inny. Możemy stwierdzić, czy te gwiazdy się jakoś deformowały przed zderzeniem, jak były duże, i w związku z tym wykoncypować, z czego się składają. To jest taka trochę inna historia, ale również bardzo ciekawa.

K.G.: Co dalej? Czego się spodziewać, jeśli chodzi o możliwości tej astronomii… Grawitacyjnej? Mogę tak powiedzieć?

M.B.: Tak.

K.G.: I czy nie trzeba by zbudować więcej takich detektorów, żebyśmy mieli jeszcze więcej informacji, skoro to nie jest takie drogie, jak pan mówi?

M.B.: Tak, prace nad tym trwają. Plan jest taki, żeby ulepszać czułość detektorów, które już istnieją. Są dwa detektory LIGO w Stanach Zjednoczonych, detektor VIRGO w Europie, którego nasza grupa jest członkiem. W związku z tym jest też członkiem współpracy LIGO i VIRGO, bo te dwie współprace tworzą taką globalną metawspółpracę sieci detektorów. Jest też japoński detektor KAGRA, będzie trzeci detektor LIGO w Indiach. Czyli będziemy mieć już w sumie pięć detektorów w różnych miejscach na globie, co nam pozwoli na lepszą dokładność pomiarów, ale też inny typ pomiaru. Będzie można dokładniej badać charakter fal, np. będzie można zmierzyć, czy one są takie, jak Einstein przykazał, czy polaryzują się jakoś inaczej. Będzie można testować fizykę na tym najbardziej fundamentalnym poziomie. Będziemy też budowali nowe detektory nowej generacji, czyli detektor Einsteina, taki planowany detektor europejski, który będzie zlokalizowany pod Ziemią, będzie o wiele bardziej czuły niż te, które mamy teraz. W Stanach będzie detektor, który nazywa się Cosmic Explorer, również o wiele bardziej czuły. Natomiast, jeśli chodzi o inny przedział częstotliwości, bo teraz ciągle mówię o tych takich audio częstotliwościach, których można słuchać praktycznie uchem, ale można też pomyśleć: ale w sumie to co z tymi innymi częstotliwościami, np. z dużo niższymi? Jak mamy duże obiekty – wyobraźmy sobie, że mamy w centrum galaktyki dwie duże czarne dziury o masie tej naszej – to one będą krążyły wokół siebie, ale z o wiele niższą częstotliwością. Ten okres orbitalny jest o wiele dłuższy, więc częstotliwość jest o wiele niższa. I teraz trzeba mieć specjalny detektor, który by mógł wykryć te częstotliwości. Taki detektor również jest planowany – będzie to kosmiczny interferometr, który zostanie wysłany w Kosmos już za około dziesięć lat, jeśli się nic nie opóźni. To będzie następny wielki przełom, bo będziemy mieć dostęp do tego Wszechświata o innych częstotliwościach, również niewidzialnego, ale takiego, który jest zaludniony przez bardzo masywne czarne dziury, albo nie wiadomo co, bo w sumie to nie wiadomo, co tam może być, skoro nie widać tego okiem. To jest tak, jakby się otwierało takie pudełko z czekoladkami – nie wiadomo, co jest w środku. Za każdym razem tak jest, że my zwiększamy czułość tych detektorów, one są coraz bardziej czułe i tak naprawdę nie wiemy, ile będzie nowych zjawisk, które wykryjemy. Wiemy, że będzie ich więcej, ale jakich? Nie mogliśmy przewidzieć, że wykryjemy bardzo masywną czarną dziurę ostatnio albo ten układ podwójny gwiazd neutronowych, który jest o wiele bardziej masywny niż takie, które znamy z naszej galaktyki. Albo że wykryjemy taki układ podwójny z czarną dziurą i takim drugim obiektem, który jest nie wiadomo czym, bo być może jest czarną dziurą albo gwiazdą neutronową, ale jakąś taką strasznie masywną. I jak to w ogóle wyjaśnić w teorii tej gęstej materii? Mówię o tym trochę na takiej zasadzie, że mamy informacje, ale mamy też masę pytań, więc mówię wprost, że np. nie wiemy, co to jest.

K.G.: Czyli nie ma przesady w tym twierdzeniu, że możliwość rejestracji fal grawitacyjnych istotnie dała nam nową astronomię, otworzyła jakiś nowy rozdział, który jeszcze nie wiemy, jak zostanie zapisany?

M.B.: Tak, jest to zupełnie ekscytujące. Teraz nie da się wypowiedzieć o tym w taki zupełnie definitywny sposób, no bo to się ciągle bardzo szybko rozwija. Natomiast widać już, że jest to bardzo obiecujące. I widać już, że to nam dało dużo do myślenia.

K.G.: Słuchajcie, jeśli chcecie wesprzeć LIGO i VIRGO, i cały projekt nowej astronomii, astronomii grawitacyjnej, to zajrzyjcie koniecznie na stronę einsteinathome.org. Można udostępnić możliwości obliczeniowe swojego komputera na rzecz analizy tych wszystkich danych, więc myślę, że warto wziąć udział w takim cywilizacyjnym projekcie, jakim przecież jest LIGO, VIRGO i inne detektory, które umożliwiają właśnie rejestrację fal grawitacyjnych. Chyba nie powiedzieliśmy tego wyraźnie, a warto – to są tak ekstremalnie niemalże doskonałe urządzenia rejestrujące, że można by powiedzieć, że to jeden ze szczytów osiągnięć technologicznych człowieka, a niektórzy nawet mówią, że to są po prostu najlepsze urządzenia, jakie zostały stworzone. Więc myślę, że fajnie z nimi współpracować. 

M.B.: Chciałbym zareklamować też inny projekt – jeśli chodzi o tę analizę danych i zrozumienie tego, co się dzieje, to bardzo się interesujemy uczeniem maszynowym, czyli sztuczną inteligencją, jak można analizować sygnały na nowe sposoby. Jest taki projekt, który nazywa się Gravity Spy, który służy do klasyfikowania różnych rodzajów sygnałów. I również tam można pomóc przygotowywać dane do klasyfikacji, żeby te nasze maszyny, te nasze algorytmy, które trenujemy w uczeniu maszynowym, lepiej rozumiały, co się dzieje. Tak że można pomóc na różne sposoby, również takie zabawowe.

K.G.: Więc Gravity Spy, einsteinathome.org, a zainteresowanych odeślę też do książki – znów się pojawi to nazwisko – profesora Jean-Pierre’a Lasoty oraz Nathalie Deruelle Fale grawitacyjne. Nowa era astrofizyki. Bardzo dobra książka, którą mogę wam polecić, bo wszystko porządkuje. I śledźcie też koniecznie Michała Bejgera, który występuje w różnych popularyzatorskich okolicznościach, m.in. w magazynie „Delta” można śledzić, co pisze on o falach grawitacyjnych i nie tylko. Bardzo serdecznie dziękuję za rozmowę. Doktor habilitowany Michał Bejger, astrofizyk, Centrum Astronomiczne im. Mikołaja Kopernika Polskiej Akademii Nauk. Dzięki.

M.B.: Dziękuję.

Dodane:
749

Ulubione

Skip to content