Polowanie na grawitację

To co widać przez teleskopy, to zaledwie 10 proc. całej masy wszechświata. A gdzie pozostałe 90 proc.? Na to pytanie nie znaleziono dotychczas odpowiedzi. Tzw. ciemna materia powinna być wszędzie, a nie widać jej nigdzie. Przypisuje się jej niezwykłe właściwości, łączy się ją z nie mniej tajemniczą tzw. ciemną energią. Nie ma na razie żadnego urządzenia, które mogłoby potwierdzić jej istnienie, ale astronomowie zyskali nową nadzieję na jego powstanie: LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) to pierwsze zbudowane w USA obserwatorium fal grawitacyjnych, których fizykom nie udaje się znaleźć od kilku dziesięcioleci.
Światło widzialne odbierane przez teleskopy optyczne to jedynie maleńki skrawek całego widma promieniowania elektromagnetycznego docierającego na Ziemię. W latach 30. poprzedniego stulecia do obserwacji nieba stosowano promieniowanie radiowe. Oczom astronomów ukazał się wszechświat wcześniej zasłonięty przez chmury pyłu i gazu, które pochłaniają światło widzialne. W latach 60. zaczęto używać promieniowania ultrafioletowego, rentgenowskiego i gamma, a następnie podczerwieni i mikrofal. Obserwatorium fal grawitacyjnych, które nie są falami elektromagnetycznymi, to zupełnie nowe "okno" obserwacji wszechświata. To tak, jakby można było nie tylko oglądać bukiet kwiatów przez szkiełka w różnych kolorach, ale również je wąchać. Uczeni oczekują, że zastosowanie nowego "zmysłu" w badaniu kosmosu pozwoli odkryć coś, czego wcześniej nie sposób było dostrzec.

Zmarszczki w czasoprzestrzeni
Z ogólnej teorii względności, stworzonej przez Alberta Einsteina prawie 90 lat temu, wiadomo, że w wyniku ruchu obiektów obdarzonych masą w przestrzeni powinny się rozchodzić fale grawitacyjne (lub inaczej - zaburzenia czasoprzestrzenne). Im większa jest ich masa i szybszy ruch, tym łatwiej powinny być widoczne powodowane przez nie "zmarszczki przestrzeni". Kłopot polega na tym, że próbę zarejestrowania nawet największych fal grawitacyjnych, powstałych w wyniku zderzenia gwiazd neutronowych, czarnych dziur czy wybuchu supernowych, można porównać do nasłuchiwania wibracji, które wywołuje pukanie do drzwi, z odległości 10 tys. km. Detektory zdolne wykryć fale grawitacyjne powinny także móc zarejestrować efekt porównywalny do upadku szpilki po drugiej stronie naszej planety. Nic dziwnego, że takich fal nikomu dotychczas nie udało się wykryć.
Istnienie falowych zmian pola grawitacyjnego w latach 60. ubiegłego wieku próbował udowodnić Joseph Weber, amerykański fizyk. W tym celu zbudował aluminiowe cylindry (obłożone detektorami), których nie udało się jednak wprawić w drgania (Weber twierdził, że tak się stało, ale powtórne analizy tego nie potwierdziły). Poszukiwania trwały aż do 1974 r., gdy Joseph Taylor i Russell Hulse, radioastronomowie z uniwersytetu w Princeton, obserwując dwie krążące wokół siebie gwiazdy (PSR1913+16), stwierdzili, że układ powoli traci energię, jakby wysyłał... fale grawitacyjne. Mimo że samych fal nie zaobserwowano, za pośrednie potwierdzenie ich istnienia autorzy otrzymali w 1993 r. Nagrodę Nobla ("za odkrycie nowego typu pulsara, otwarcie nowych możliwości badania grawitacji"). Wtedy amerykańska National Science Fundation postanowiła wybudować obserwatorium LIGO, wydając na ten cel 400 mln USD.

Obserwatorium katastrof
LIGO - obserwatorium katastrof - składa się z dwóch identycznych instalacji położonych w Handford w stanie Waszyngton i w Livingston w Luizjanie. Instalacja, która z lotu ptaka wygląda jak wielka litera L, to dwie czterokilometrowe rury, stykające się z sobą pod kątem prostym. To, co z pozoru wygląda jak przepompownia lub oczyszczalnia ścieków, jest jednym z najbardziej skomplikowanych urządzeń, jakie kiedykolwiek zostały wybudowane. Każde z ramion tworzy betonowa rura o średnicy 2 m. W jej wnętrzu, niczym w bunkrze, znajduje się druga rura (wykonana ze stali), będąca granicą między światem zewnętrznym a próżnią, w której biegnie promień lasera. Ze zlokalizowanego "na skrzyżowaniu" rur laboratorium w tym samym momencie wysyłane są wiązki laserowe w kierunku zwierciadeł na końcach każdego ramienia. Promienie - odbijane przez zwierciadła około stu razy - wpadają z powrotem do centralnego laboratorium i tam są porównywane. Można dokładnie wyliczyć różnicę przebytych przez obie wiązki światła dróg. A drogi te powinny być identyczne, chyba że w czasie pomiaru przez Ziemię przejdzie fala grawitacyjna. Wtedy jedno z ramion będzie nieco dłuższe i drogi odbyte przez dwie wiązki nie będą jednakowe.
Fala wywołana nawet przez duży kataklizm kosmiczny zmieni długość ramion nie więcej niż o jedną tysięczną średnicy protonu! To mniej więcej tak, jakby mierzyć zmiany średnicy Drogi Mlecznej (którą ocenia się na 100 tys. lat świetlnych) z dokładnością do metra. Tak niewielkie zmiany w drodze pokonanej przez promień lasera mogą się jednak pojawić, gdy jedno ze zwierciadeł lekko zadrży. Może w pobliżu będzie przelatywał odrzutowiec, może w dziurę w pobliskiej drodze wjedzie samochód ciężarowy. Układ musi być precyzyjny i odporny na działanie jakichkolwiek sił zewnętrznych. Zdecydowano się więc na budowę nie jednej, lecz dwóch bardzo oddalonych od siebie instalacji. Są dokładnie takie same: ich ramiona mają takie same wymiary oraz identyczne układy optyczne. Niemożliwe, by w obu obserwatoriach zwierciadła nieoczekiwanie tak samo zadrżały w tej samej chwili i z tego samego powodu, zmieniając drogę, jaką przebędzie promień laserowy. Chyba że przez Ziemię przejdzie fala grawitacyjna z prędkością światła. Wówczas w obu instalacjach powinny się pojawić zaburzenia w tym samym momencie.


W oczekiwaniu na wybuch supernowej
Obserwatorium katastrof umożliwi wykrycie fal będących efektem jedynie największych kataklizmów kosmicznych, do których doszło w naszej galaktyce lub jej bliskim sąsiedztwie. Ostatnie obserwacje pary gwiazd neutronowych przeprowadzone w Jodrell Bank Observatory sugerują, że zderzenia gwiazd są sześciokrotnie częstsze niż dotychczas przypuszczano. Na wyniki pomiarów nie będziemy zatem czekać kilka lat, jak sądzono do niedawna, lecz jedynie kilka miesięcy, a może nawet kilka tygodni. Jeżeli obserwatoria grawitacyjne będą w stanie "zobaczyć" obiekty, które można dostrzec także w świetle widzialnym (na przykład wybuch supernowej), a nie będą widziały ani grama ciemnej materii, to zagadka staje się jeszcze bardziej tajemnicza - albo ta materia nie podlega prawom grawitacji, albo nie ma żadnej ciemnej materii.