Słynne od kilku lat obserwatorium LIGO (ang. Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) to nowoczesny detektor stworzony z myślą o zarejestrowaniu fal grawitacyjnych. Umożliwił on ostateczne wykrycie pierwszego zaobserwowanego przez naukowców przypadku tych fal we wrześniu 2015 roku.

LIGO jest detektorem działającym w oparciu o znane zjawisko interferometrii fal, bazującym na teoretycznie prostej idei interferometru Michelsona. Interferometr taki działa na zasadzie wzmacniania sygnału poprzez nakładanie na siebie niezależnie docierających do urządzenia fal. W jego przypadku stosuje się dwie wiązki światła laserowego, które poruszając się w długich tunelach próżniowych, docierając do ich końców, gdzie odbijają się od zwierciadeł. Następnie odbite światło wraca do centrum detektora, gdzie z kolei obie odbite wiązki interferują ze sobą. Cała "pułapka" na fale grawitacyjne polega na odpowiednim doborze długości tuneli. Można je wybrać tak, by powracające fale nakładały się na siebie w szczególny sposób prowadzący do ich wygaszenia (zniesienia się). Wówczas nie widzimy wynikowej fali, albo jest ona bardzo osłabiona.

Naukowcy projektujący detektor LIGO liczyli jednak na coś zupełnie innego. Spodziewali się, że postulowane ponad sto lat temu przez Alberta Einsteina i innych sławnych uczonych fale grawitacyjne mogą w bardzo niewielkim, niewidocznym gołym okiem i nie mierzalnym tradycyjnymi metodami pomiarowymi stopniu zmienić fizyczną długość tuneli, w których poruszają się wiązki światła (ramion detektora). A wówczas fale, które teoretycznie powinny podlegać destrukcyjnej interferencji, nie zniosą się do zera. Wynika to z tego, że na skutek oddziaływania z falą grawitacji i zmianą rozmiaru tunelu nie będą już miały one po odbiciu dokładnie przeciwnej fazy, a do tego zmieni się częstotliwość uzyskanego sygnału. W rezultacie "na wyjściu" otrzymamy szczególnego rodzaju niezerową falę, która będzie pośrednim, ale jednoznacznym dowodem przejścia przez Ziemię słabej fali grawitacyjnej.

Jak duża może być zmiana w długości tunelu? Naukowcy obliczyli, że przewidywane przez nich zaburzenia czasoprzestrzeni wynikające ze zdarzeń prowadzących do generowania najsilniejszych fal grawitacyjnych - takich jak na przykład kolizje czarnych dziur lub gwiazd neutronowych - są w stanie zmienić długość ramion detektora LIGO o nie więcej niż jedną tysięczną... średnicy protonu. Dla porównania: średnica ta jest rzędu 10−15 metra, a średnice najmniejszych komórek ludzkiego organizmu wynoszą typowo 10−6 metra, czyli jedną tysięczną milimetra. Oczywiste jest więc, że tego rodzaju pomiary fal grawitacyjnych wymagają ogromnej precyzji i czułości detektora. Osiąga się ją dzięki rozpoznaniu i skutecznym wyeliminowaniu rozmaitych zakłóceń mogących wpływać na wynik pomiaru, w tym ruchów skorupy ziemskiej, efektów związanych z krzywizną Ziemi, oraz wszelkich szumów pojawiających się w samym detektorze oraz przewodach. Bardzo precyzyjna musi być także optyka detektora.

Obserwatorium LIGO składa się z dwóch osobnych instalacji. Każda z nich posiada dwa długie ramiona, które kryją tunele z precyzyjnie utrzymywanymi warunkami próżniowymi. Instalacje te są odległe od siebie o ponad 3 tysięce kilometrów. Jedno z nich sięga do Hanford w stanie Waszyngton, a drugie kończy się w Livingston w stanie Luizjana. Tunele tworzą betonowe rury o długości 4 i średnicy 2 kilometrów, stykające się pod kątem prostym. W miejscu ich połączenia znajduje się źródło emisji laserowej i rozdzielacz wiązki, który w tym samym czasie kieruje takie same ilości światła do obu ramion. Na wyjściu urządzenia zainstalowany jest z kolei specjalny fotodetektor i komputer, którego zadaniem jest porównywanie dwóch wielokrotnie odbitych od luster wiązek światła laserowego. Oprogramowanie automatycznie oblicza wynikającą z teorii interferencji różnicę czasów, a zatem i dróg przebytych przez obydwie wiązki (przypomnijmy: te czasy i drogi powinny być identyczne przy takich samych i wysłanych początkowo w tym samym momencie wiązkach światła, ale gdy przez Ziemię przemieszcza się wówczas silna fala grawitacyjna, jedno z ramion detektora może się na krótki czas nieco wydłużyć. Skutkuje to tym, że jednak z wiązek lasera powróci wtedy do centrum detektora z mierzalnym opóźnieniem. Z wartości tego opóźnienia naukowcy mogą następnie wyliczyć rozmiar odkształcenia czasoprzestrzeni w rejonie danego ramienia.)

Pod względem administracyjnym projekt LIGO jest wspólnie zarządzany przez kilka uniwersytetów i wyższych szkół technicznych, w tym amerykańskie uczelnie MIT i Caltech. Jest przedsięwzięciem finansowanym przez amerykańską NSF (National Science Foundation). Jego koszt wyniósł około 365 milionów dolarów. Pomysł budowy detektora datowany jest na rok 1992, a jego "ojcami" są słynny fizyk Kip Thorne oraz Ronald Drever z Caltech i Rainer Weiss z MIT. LIGO działa od roku 2002. Warto dodać, że LIGO nie od razu spełnił swoje zadanie (i pokładane w nim nadzieje). W 2008 podjęto decyzję o dalszym, dziesięciokrotnym zwiększeniu czułości całego urządzenia. Prace te zakończyły się dopiero we wrześniu 2015 roku.

Niedługo potem fale grawitacyjne zostały zarejestrowane na Ziemi. Pierwszym świadkiem tego przełomowego wydarzenia był Marco Drago, pracownik Instytutu Maxa Plancka w Hanowerze, który jako pierwszy otrzymał automatyczne powiadomienie mailowe o niecodziennym zdarzeniu obserwacyjnym. Z oficjalnym ogłoszeniem rejestracji fal grawitacji poczekano jednak kilka miesięcy, w trakcie których naukowcy dokładnie zbadali otrzymane dane i dowiedli, że taki a nie inny wynik nie jest rezultatem błędu w pracy samego urządzenia lub innych zakłóceń. Analiza sygnałów potwierdziła jednak, że wykryte fale pochodzą ze zderzenia dwóch czarnych dziur o masach rzędu 29 i 36 mas Słońca.

Poszukiwania fal grawitacyjnych są także realizowane w innych ośrodkach naukowych. Zespół nadzorujący LIGO współpracuje z naukowcami z projektu Virgo, którzy już niebawem uruchomią we Włoszech własny detektor z ramionami o długości 3 kilometrów. W projekt VIRGO zaangażowanych jest 250 naukowców z 19 krajów, w tym polscy fizycy i astronomowie z grupy POLGRAW.

 

Na zdjęciu: centrum sterowania detektora LIGO w Hanford. Źródło: Philip Neustrom

3 października 2017 r. Rainer Weiss, Barry C. Barish i Kip S. Thorne otrzymali Nagrodę Nobla z dziedziny fizyki za "decydujący wkład w stworzenie detektora LIGO i obserwację fal grawitacyjnych".

 

Czytaj więcej: