Gdy pożerają się dwie czarne dziury...Starcie wirujących gigantów

Tego dnia, 1,3 miliarda lat temu, na Ziemi działo się niewiele. Lądy były monotonnymi pustkowiami pozbawionymi życia. Jedynie w oceanach pływały pierwsze organizmy składające się z więcej niż jednej komórki.

W tym czasie w odległości 1,3 miliarda lat świetlnych (w przeliczeniu na kilometry daje to liczbę złożoną z 23 cyfr) dwie czarne dziury zamierzały właśnie pochłonąć się nawzajem. Jedna, o średnicy 216 kilometrów, mieściła w sobie 36-krotność masy Słońca, druga, której średnica wynosiła 174 kilometry, miała pojemność 29 mas naszej gwiazdy (dla porównania: średnica Słońca to­­ ok. 1,4 miliona kilometrów).

Jak dotąd pochłaniały to, co było do pochłonięcia w tym obszarze wszechświata, i teraz pozostały już tylko we dwie. Zaczęły wokół siebie krążyć, coraz szybciej i szybciej, dochodząc do niewyobrażalnych 150 cykli na sekundę.

Ostateczna megafuzja, w której pędzące z szybkością 70% prędkości światła czarne dziury zderzyły się ze sobą, trwała zaledwie 0,2 sekundy. W tej chwili, krótkiej jak mgnienie oka, uwolniona została 10-krotnie (niektórzy eksperci twierdzą, że nawet 50-krotnie) wyższa energia promieniowania od tej, jaką wytwarzają wszystkie widoczne dla nas gwiazdy we wszechświecie.

Trzykrotność masy naszego Słońca w formie energii rozeszła się z prędkością światła od miejsca „wielkiego żarcia” w najdalsze zakątki kosmosu, aby 1,3 miliarda lat później, 14 września 2015 roku, musnąć naszą planetę – i wstrząsnąć światem astronomii.

Dopiero tego dnia udało się po raz pierwszy bezpośrednio zaobserwować fale grawitacyjne. W ten wrześniowy poniedziałek nikt jednak nie spadł z krzesła ani nie poczuł żadnego wstrząsu – nie poruszył się nawet najmniejszy listek, mimo że Ziemia znalazła się w zasięgu fali uderzeniowej potężnej kolizji.

Jedynie cztery pomiarowe promienie laserowe w dwóch miejscach w USA doświadczyły po raz pierwszy minimalnej zmiany długości – i pozwoliły spojrzeć nam w zupełnie inny sposób na uniwersum:

– Wszystkiego, co wiemy na temat wszechświata, dowiedzieliśmy się przy pomocy światła i całego spektrum fal elektromagnetycznych – podkreśla amerykański astrofizyk Shane Larson. Czyli wszystko, co kiedyś znajdowało się dosłownie w sferze ciemności, bezwymiarowości i teorii, teraz stało się możliwe do udowodnienia. Można to jednoznacznie przyporządkować, a nawet... usłyszeć: przypomina odgłos bulgotania.

Niemal dokładnie sto lat temu Albert Einstein przepowiedział istnienie fal grawitacyjnych (pomijając właściwie tylko ów osobliwy odgłos). Z jego ogólnej teorii względności wynika, że wielkie masy potrafią zakrzywiać czasoprzestrzeń.

To mniej więcej tak, jak piłka wypycha napięte prześcieradło, na którym leży. Odpowiada za to siła grawitacji. Niewyobrażalnie wielka masa czarnej dziury posiada zdolność zakrzywienia czasoprzestrzeni do nieskończoności. Skutek: z jej wnętrza nic nie może się wydostać, nawet światło.

Kiedy takie masy przyspieszają – jak nasze dwie okrążające się i ostatecznie zderzające czarne dziury – ściskają i rozciągają czasoprzestrzeń. Logicznie rzecz biorąc, to samo robią emitowane przy tym fale – tyle że na mniejszą skalę: te grawitacyjne ściskają i rozciągają bardzo sztywną czasoprzestrzeń zaledwie o jedną trylionową.

Urządzenie będące w stanie zmierzyć tak minimalne przesunięcie, musi więc być dokładniejsze od wszystkiego, co człowiek dotychczas wymyślił – do gry wkroczyły zatem wspomniane już lasery. To one 14 września 2015 roku zarejestrowały wreszcie falę grawitacyjną.

Detektor LIGO (skrót od Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, czyli Laserowe Obserwatorium Interferometryczne Fal Grawitacyjnych) jest prostą konstrukcją, ale zajmuje dużo miejsca. To budynek w kształcie litery L, którego oba ramiona mają po cztery kilometry długości.

W każdym z nich promień lasera, biegnąc od jednego końca do drugiego, przecina próżnię i natrafia na lustro, zawieszone na specjalnych, odpornych na wstrząsy wahadłach. Jeżeli długość promienia lasera zmieni się choć odrobinę, detektor bije na alarm. A „odrobina” w tym wypadku oznacza odległość 10 000 razy mniejszą niż średnica protonu, jednego z podstawowych składników atomu. Musiał minąć wiek od ogłoszenia teorii Einsteina na temat fal grawitacyjnych, zanim stało się możliwe zastosowanie tak czułego urządzenia pomiarowego.

Naukowcy mają nadzieję, że w przyszłości zarejestrują większą liczbę fal tego typu i z ich pomocą nie tylko potwierdzą teorie fizyczne, lecz również poszerzą naszą wiedzę o kosmosie.

Co się dzieje w wirujących z ogromną prędkością gwiazdach neutronowych? Skąd się biorą gigantyczne erupcje promieniowania gamma z wybuchających gwiazd? Także czarne dziury mogą odsłonić przed nami jeszcze wiele tajemnic z przeszłości wszechświata...

Naukowcy obsługujący LIGO czekali 13 lat. We wrześniu 2015 roku urządzenia pomiarowe po raz pierwszy drgnęły – to wydarzenie przeszło do historii astronomii pod symbolem GW150914.

Detektory LIGO – jak nazywa się w skrócie Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory – znajdują się w dwóch oddalonych od siebie o 3000 kilometrów miejscach w USA.

Pod względem geograficznym są usytuowane w taki sposób, że kiedy fala grawitacyjna z prędkością światła muśnie Ziemię, to poszczególne detektory odbiorą stosowny sygnał w odstępie ułamka sekundy. Na podstawie tej różnicy można obliczyć odległość, w jakiej nastąpiła generacja fali.

Fakt, że zarejestrowano zmarszczkę czaso­przestrzeni, mimo że jej punkt wyjściowy znajduje się daleko poza zasięgiem pomiaru wynoszącym 500 milionów lat świetlnych, zawdzięczamy gigantycznej sile kolizji obu czarnych dziur.

Każdy obiekt, który posiada masę i zmienia swoją pozycję lub się obraca, wywołuje fale grawitacyjne – nawet biegnący człowiek. Ale zmierzyć je potrafimy obecnie wyłącznie w przypadku potężnych zjawisk, podczas których uwalniają się ogromne ilości energii.

Może to być obracająca się z wielką szybkością gwiazda neutronowa, eksplozja supernowej czy kolizja kosmicznych olbrzymów, takich jak gwiazdy, czarne dziury lub galaktyki.

Fale grawitacyjne mają – w zależności od źródła – różne częstotliwości. Im niższa długość fali, tym silniejsze i starsze są zjawiska, które je wywołały. Ale nawet LIGO dochodzi tu do granic swoich możliwości: – Przyszłość astronomii fal grawitacyjnych leży poza Ziemią – twierdzi prof. Karsten Danz­mann.

Od 2034 roku największym stanowiskiem nasłuchowym ma być bowiem eLISA: trzy satelity połączone ze sobą promieniem lasera, mierzącym milion kilometrów długości. Będą oddalone od Ziemi o 50 milionów kilometrów i być może wydrą wszechświatowi kolejne tajemnice. – Chcemy wsłuchać się w kosmos aż do jego początków – Wielkiego Wybuchu – mówi Danzmann.

Sprawdź, o czym jeszcze można przeczytać w nowym numerze "Świata Wiedzy"