Znajdź zawartość

Europejski projekt budowy wielkiego wykrywacza fal grawitacyjnych znalazł się o krok bliżej realizacji. European Strategy Forum on Research Infrastructures (ESFRI), które doradza rządom Unii Europejskiej odnośnie priorytetów badawczych, wpisało Einstein Telescope, bo tak się ma nazywać laboratorium, na mapę drogową projektów naukowych, które są na tyle zaawansowane, że warto, by nadal się rozwijały. Einstein Telescope ma kosztować 1,9 miliarda euro. Twórcy projektu muszą jeszcze przekonać rządy do swojego pomysłu. Wpisanie na listę ESFRI nie jest obietnicą finansowania, ale pokazuje, że istnieje wola kontynuowania projektu, mówi współprzewodniczący komitetu kierującego Einstein Telescope, Harald Lück w Uniwersytetu im. Leibniza w Hanowerze. Działania ESFRI zostały z zadowoleniem przywitane przez naukowców USA, którzy mają nadzieję, że pomoże to w realizacji ich własnych planów budowy pary wykrywaczy większych niż Einstein Telescope. Amerykański projekt nosi nazwę Cosmic Explorer. Myślę, że to dobry czas, by rozpocząć tego typu budowę, mówi David Reitze, dyrektor LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), obserwatorium, w którym wykryto pierwsze fale grawitacyjne. Wykrywacze fal grawitacyjnych rejestrują niewielkie zaburzenia przestrzeni wywoływane przez masywne obiekty, jak np. czarne dziury, które krążą wokół siebie i w końcu się łączą. Wykrywacze takie to olbrzymie urządzenia. Amerykański LIGO składa się z pary interferometrów znajdujących się w stanach Louisiana i Washington. Każdy z nich ma kształt litery L, a każde z ramion ma 4 kilometry długości. Porównując długość ramion z olbrzymią dokładnością, można stwierdzić, czy doszło do jej zmiany w wyniku przejścia fali grawitacyjnej. Z kolei europejski wykrywacz Virgo, który znajduje się we Włoszech, ma ramiona o długości 3 km. Naukowcy chcieliby jednak zbudować większe instrumenty. LIGO i Virgo, do których niedawno dołączył japoński KAGRA, są w stanie wykrywać połączenia czarnych dziur z odległości ponad 10 miliardów lat świetlnych. Gdyby jednak zbudować 10-krotnie bardziej czułe detektory, moglibyśmy rejestrować takie wydarzenia w całym obserwowalnym wszechświecie, na przestrzeni 45 miliardów lat świetlnych. Stąd też niezwykle ambitne plany. Amerykański Cosmic Explorer ma składać się z jednego lub więcej interferometrów w kształcie litery L, której ramiona mają mieć po 40 km długości. Z kolei projekt Einsten Telescope zakłada budowę 6 interferometrów w kształcie litery V, o ramionach długości 10 kilometrów każde. Mają być one ułożone na planie trójkąta równobocznego, z 2 interferometrami w każdym z rogów. Fizycy z USA i Europy chcą, by ich detektory powstały do połowy lat 30. XXI wieku. Umieszczenie Einstein Telescope na liście ESFRI to krok naprzód w realizacji europejskich planów. W ciągu najbliższych 3–4 lat pomysłodawcy Einstein Telescope powinni przedstawić bardziej szczegółowy plan i raport techniczny. Muszą też w tym czasie zdobywać poparcie dla swojego pomysłu zarówno ze strony polityków, jak i środowisk naukowych, angażując do współpracy kolejnych specjalistów. Obecnie projekt Einstein Telescope może liczyć na poparcie z Belgii, Włoch, Holandii, Polski i Hiszpanii. Einstein Telescope, jeśli zostanie zrealizowany, może przybrać kształt podobny do CERN-u. « powrót do artykułu

Przed czterema laty informowaliśmy o jednym z największych odkryć naukowych obecnego wieku – zarejestrowaniu fal grawitacyjnych. Zostały one zauważone przez LIGO, jeden z największych instrumentów naukowych na świecie. W każdym z dwóch laboratoriów LIGO pracuje interferometr w kształcie litery L, którego długość każdego z ramion wynosi 4000 metrów. W ciągu ostatnich lat LIGO kilkunastokrotnie rejestrował fale grawitacyjne. Teraz naukowcy proponują wybudowanie 1000-krotnie mniejszego przenośnego interferometru, który mógłby wykrywać fale grawitacyjne w każdym laboratorium na świecie. Interferometry LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) to 4-kilometrowe tunele, na końcach których umieszczono lustra. W stronę luster wystrzeliwany jest promień lasera, który odbija się i powraca do detektorów. Fale grawitacyjne ściskają i rozciągają przestrzeń o 1 część na 1021, co oznacza, że cała Ziemia jest ściskana lub rozciągana o mniej więcej grubość jądra atomu. Jeśli teraz promienie lasera w LIGO przebyły różną drogę – zatem jeśli interferometr został ściśnięty lub rozciągnięty przez fale grawitacyjne – to dojdzie między nimi do interferencji. A badając tę interferencję można zmierzyć relatywną długość ramion z dokładnością do 1/10 000 szerokości protonu. Jak widzimy LIGO to olbrzymi instrument. Dlatego też grupa fizyków proponuje zbudowanie wykrywacza fal grawitacyjnych o długości zaledwie 1 metra. Autorzy udostępnionego w arXiv artykułu, który wkrótce zostanie opublikowany na łamach New Journal of Physics, proponują budowę wykrywacza zjawiska z zakresu mechaniki kwantowej, które towarzyszy przejściu fal grawitacyjnych. Już teraz wiemy, że budowa takiego wykrywacza będzie niezwykle trudna, mówi jeden z autorów propozycji, Gavin Morley, fizyk z University of Warwick. Jeśli jednak się uda, wykrywaniem fal grawitacyjnych mogłoby zajmować się dziesiątki laboratoriów na całym świecie. Naukowcy nazwali swój instrument MIMAC (Mesoscopic Interference for Metric and Curvature). Jego głównym elementem ma być kawałek diamentu o wielkości nie przekraczającej mikrometra. Miałby on zostać umieszczony w stanie kwantowej superpozycji i oczekiwać na interakcję z falą grawitacyjną. W skład zespołu naukowego – obok Morleya – wchodzą Sougato Bose, Peter Barker i Ryan Marshman z University College London oraz Anupam Mazumdar i Steven Hoekstra z Uniwersytetu w Groningen. Proponują oni, by do stworzenia superpozycji wykorzystać strumień mikrofal skierowany na pojedynczy elektron powiązany z celowo wprowadzonym błędem w sieci krystalicznej atomów węgla we wspomnianym kawałku diamentu. Błąd ten to pojedynczy atom azotu dodany do sieci. Elektron w atomie azotu miałby jednocześnie absorbować i nie absorbować fotonu z mikrofal, tworząc kwantową superpozycję mikrodiamentu. Elektron w tej wersji diamentu, która zaabsorbowała foton przełączyłby się w stan nazwany „spin one”, co oznacza, że zachowywałby się jak miniaturowy magnes. Elektron w drugiej wersji diamentu pozostałby w stanie „spin zero”, magnetycznie neutralnym. Naukowcy uważają, że za pomocą zewnętrznego pola magnetycznego można by następnie odsunąć od siebie obie cząstki na odległość nawet metra. W końcu naukowcy odwróciliby zewnętrze pole magnetyczne, łącząc obie pozycje diamentu i po raz ostatni wysyłając w jego kierunku impuls mikrofalowy. Ten ostatni impuls spowodowałby powstanie niezwykłego efektu kwantowego. W świecie kwantowym cząstki nie są cząstkami, a falami, których wielkość i kształt odpowiadają prawdopodobieństwu znalezienia cząstki w danej pozycji. Ten ostatni impuls mikrofal miałby za zadanie zmienić kształt superpozycji tak, że wierzchołki fali „spin one” nałożyłyby się na doliny i nawzajem zniosły, natomiast wierzchołki „spin zero” nałożyłyby się na siebie i wzmocniły. W ten sposób, przy braku jakichkolwiek oddziaływań z zewnątrz, pomiar elektronu zawsze dawałby wynik „spin zero”. I w tym momencie dochodzimy do sposobu wykrywania fal grawitacyjnych. Otóż fala taka przechodząca przez MIMAC, rozciągałaby lub ściskała superpozycję i prowadziła do zmiany stanu. Pomiary dawałyby więc różne wyniki, w których częstotliwość pojawiania się stanu „spin one” wskazywałaby na częstotliwość fali grawitacyjnej. Ron Folman, fizyk eksperymentalny z Uniwersytetu Ben Guriona w Izraelu, chwali podstawy teoretyczne i mówi, że zbudowanie działającego prototypu takiego wykrywacza może zająć dziesięciolecia. Wyizolowanie całego systemu od wpływów zewnętrznych będzie niezwykle trudne. Ale, jak dodaje, być może uda się to za naszego życia. Pod warunkiem, że poświęci się na to odpowiednio dużo wysiłku. Jednym z najpoważniejszych wyzwań będzie stworzenie superpozycji diamentu, która utrzyma się na odległość 1 metra. Przed czterema laty naukowcy z Uniwersytetu Stanforda byli w stanie utrzymać superpozycję 10 000 atomów odsuniętych na odległość około pół metra. To dotychczasowy rekord. Jednak tutaj mówimy o diamencie składającym się z miliarda czy 10 miliardów atomów. To znacznie trudniejsze, wyjaśnia Mazumdar. Ponadto stworzenie MIMAC wymagałoby połączenia w jednym urządzeniu wysokiej próżni, bardzo niskich temperatur czy precyzyjnie kontrolowanych pól magnetycznych. Każdy z tych elementów został już osiągnięty przez różne grupy naukowe, jednak ich połączenie to zupełnie inna historia. Fakt, że potrafisz żonglować i potrafisz jeździć na rowerze nie oznacza jeszcze, że potrafisz robić obie te rzeczy jednocześnie, zauważa Morley. Twórcy nowej koncepcji są jednak pełni zapału. Zauważają, że przenośny wykrywacz fal grawitacyjnych można by ustawiać w dowolnej orientacji względem nieboskłonu. I można by prowadzić badania fal w wielu różnych miejscach na świecie. Problemem jest stworzenie jednego działającego urządzenia. Jeśli to się uda, to łatwo będzie zbudować kolejne, podkreśla Bose. « powrót do artykułu

Niezwykły sygnał, zauważony w falach grawitacyjnych, rzuca nowe światło na „lukę masy” pomiędzy gwiazdami neutronowymi, a czarnymi dziurami. Naukowcy od kilkudziesięciu lat nie wiedzą, czy i co znajduje się pomiędzy tymi obiektami. Teraz mają dowód, że coś tam jest. Gdy najbardziej masywne gwiazdy kończą życie, zapadają się pod wpływem własnej grawitacji i powstaje czarna dziura. Gdy jednak umierająca gwiazda jest mniej masywna, wybucha jako supernowa i pozostaje po niej gęste jądro – gwiazda neutronowa. Od dziesięcioleci wiemy, że najbardziej masywne gwiazdy neutronowe mają masę nie większą niż 2,5 masy Słońca, a najmniej masywne czarne dziury charakteryzują się masą około 5 mas Słońca. Powstaje więc pytanie, co jest pomiędzy tymi masami. W ubiegłym roku informowaliśmy, że wykrywacz fal grawitacyjnych LIGO, zarejestrował wszystko, czego od niego oczekiwano: zderzenie dwóch czarnych dziur, zderzenie dwóch gwiazd neutronowych oraz wchłonięcie gwiazdy neutronowej przez czarną dziurę. I właśnie to ostatnie wydarzenie, do którego doszło około 800 milionów lat temu, może rzucić nieco światła na „lukę masy”. Jak bowiem czytamy na łamach najnowszego numeru The Astrophysical Journal Letters, zarejestrowany sygnał, oznaczony jako GW190814, pochodził z połączenia czarnej dziury o masie 23 mas Słońca (22,2–24,3 M☉) z obiektem o masie 2,6 mas Słońca (2,50–2,67 M⊙). W wyniku tego procesu powstały fale grawitacyjne, które 800 milionów lat później zarejestrowaliśmy na Ziemi. Różnica mas pomiędzy obiektami, wynosząca aż 9:1 jest największą różnicą zaobserwowaną dotychczas podczas badania fal grawitacyjnych. Jednak najbardziej interesująca jest masa lżejszego z obiektów. W tym wypadku nie wiemy, czy lżejszy obiekt to gwiazda neutronowa czy czarna dziura. To wciąż tajemnica. Zbadanie, w jaki sposób powstają takie układy może zmienić nasze rozumienie ewolucji gwiazd, mówi doktor Christopher Berry z Institute for Gravitational Research University of Glasgow, którego naukowcy odegrali kluczową rolę w analizie danych. Od dziesięcioleci czekamy na rozwiązanie tej zagadki. Nie wiemy, czy ten obiekt to najbardziej masywna gwiazda neutronowa czy najmniej masywna czarna dziura. Tak czy inaczej jest to rekordowy obiekt, mówi profesor Vicky Kalogera z Northwestern University, a profesor Patrick Brady, rzecznik prasowy eksperymentu LIGO, dodaje: to zmieni sposób postrzegania czarnych dziur i gwiazd neutronowych. Może się okazać, że „luka masy” nie istnieje, a wynika ona tylko z naszych ograniczonych możliwości obserwacyjnych. Potrzebujemy więcej czasu i kolejnych obserwacji, by to rozstrzygnąć. Naukowcy mają nadzieję, że kolejna rozbudowa możliwości obserwatorium LIGO, z obecnego Advanced LIGO do Advanced LIGO Plus, pozwoli na przeprowadzenie większej liczby bardziej szczegółowych obserwacji. « powrót do artykułu

Przedstawiciele trzech wykrywaczy fal grawitacyjnych, amerykańskiego LIGO, włoskiego Virgo i japońskiego KAGRA, podpisali porozumienie o współpracy i wymianie danych oraz przewidują rozszerzenie współpracy na przyszłych partnerów. Istnienie fal grawitacyjnych przewidział ponad 100 lat temu Albert Einstein. Po raz pierwszy wykryto je w detektorze LIGO w 2015 roku, a o odkryciu poinformowano w roku 2016. Obserwacje fal grawitacyjnych pozwalają na poznanie kolejnych tajemnic wszechświata. KAGRA to najmłodsze ze wspomnianych obserwatoriów. Powstało ono w Kamioce w prefekturze Gifu, a za konstrukcję odpowiadały Instytut Badań Promieni Kosmicznych Uniwersytetu Tokijskiego, Narodowe Obserwatorium Astronomiczne Japonii oraz Organizacja Badań nad Akceleratorami Wysokich Energii. Budowa urządzenia rozpoczęła się w 2010 roku i jest ono niemal gotowe do pracy. Mamy nadzieję, że przed końcem bieżącego roku rozpoczniemy obserwacje i dołączymy do globalnej sieci wykrywaczy fal grawitacyjnych, powiedział główny badacz KAGRA, Takaaki Kajita. LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) oraz LIGO Scientific Collaboration to amerykańskie instytucje, w pracach których bierze udział ponad 100 instytucji z całego świata. To właśnie w LIGO wykryto pierwsze fale grawitacyjne. Dołączenie KAGRA do naszej sieci obserwatoriów fal grawitacyjnych znakomicie zwiększy możliwości naukowe w nadchodzącej dekadzie. KAGRA pozwoli na bardziej precyzyjne określenie położenia źródła fal grawitacyjnych, co jest głównym celem badawczym, mówi dyrektor i główny naukowiec LIGO, David Reitze. Z kolei Virgo to wspólne dzieło 96 europejskich instytucji naukowych. Dołączenie KAGRA powoduje, że prace nad badaniem fal grawitacyjnych stają się projektem ogólnoświatowym, stwierdził rzecznik prasowy Virgo, Jo van den Brand. Porozumienie pomiędzy KAGRA, LIGO i Virgo zastępuje dotychczasową umowę pomiędzy LIGO a Virgo. Będzie ono obowiązywało do 30 września 2023 roku. Po tej dacie umowa może zostać przedłużona. « powrót do artykułu

Przed 900 milionami lat doszło do zderzenia dwóch obiektów. Jednym z nich była czarna dziura, drugim zaś – niemal na pewno – gwiazda neutronowa. Przed tygodniem fale grawitacyjne wywołane tym wydarzeniem dotarły do Ziemi i zostały zarejestrowane przez amerykański wykrywacz LIGO oraz włoski Virgo. Jesteśmy przekonani, że właśnie wykryliśmy ślad czarnej dziury pożerającej gwiazdę neutronową, mówi Susan Scott, fizyk teoretyk z Australijskiego Universytetu Narodowego w Canberrze i główna badaczka w ARC Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery. Jeśli odkrycie się potwierdzi, to będziemy mieli sygnały wszystkich trzech kataklizmów kosmicznych, na których zarejestrowanie liczyli twórcy LIGO: zderzenie dwóch czarnych dziur, zderzenie dwóch gwiazd neutronowych oraz wchłonięcie gwiazdy neutronowej przez czarną dziurę. Już w kwietniu naukowcy sądzili, że zarejestrowali zderzenie czarnej dziury z gwiazdą neutronową. Odkrycia jednak nie ogłoszono, gdyż istniało zbyt duże prawdopodobieństwo, że zarejestrowany sygnał to zakłócenie pochodzenia ziemskiego. Teraz naukowcy są pewni, że sygnał pochodzi spoza Ziemi. Jego właściwości są wysoce zgodne z sygnałem łączenia się układu podwójnego, a ze wstępnej oceny mas obu obiektów wynika, że mamy do czynienia z czarną dziurą i gwiazdą neutronową, stwierdza Scott. Kompaktowe układy podwójne składają się najczęściej z par gwiazd neutronowych lub czarnych dziur. Twórcy LIGO przewidywali, że będą one źródłami najsilniejszych sygnałów wykrywanych przez detektor. Gdy np. dwie czarne dziury krążą wokół siebie i są znacznie oddalone, dochodzi do emisji słabych fal grawitacyjnych. Fale te zabierają energię z systemu, przez co krążące czarne dziury wchodzą na ciaśniejszą orbitę. Krążą coraz szybciej, a emitowane fale grawitacyjne mają coraz większą energię. W końcu, gdy zbliżą się na odpowiednią odległość, dochodzi do połączenia i utworzenia jednej czarnej dziury. To właśnie wtedy powstają najsilniejsze fale grawitacyjne. Krótko po połączeniu istnieje czarna dziura o mocno zaburzonym kształcie, co przejawia się emisją charakterystycznych fal grawitacyjnych. Obserwując napływające do nas fale grawitacyjne jesteśmy w stanie określić fazy łączenia się obiektów czy ich charakterystyki. Obecnie badacze na całym świecie sprawdzają obliczenia, by potwierdzić identyfikację obu obiektów. Naukowcy uważają, że większy z nich to czarna dziura, a mniejszy to gwiazda neutronowa. Istnieje jednak minimalne prawdopodobieństwo, że może to być bardzo lekka czarna dziura. Jeśli tak, byłaby to najlżejsza z dotychczas zaobserwowanych. Musimy bliżej przyjrzeć się sygnałom, by sprawdzić, czy możemy potwierdzić, że odpowiadają one zachowaniu się gwiazdy neutronowej opadającej na czarną dziurę, dodaje Scott. Jeśli się okaże, że LIGO zarejestrowało wszystkie trzy sygnały, których znalezienie było przyczyną wybudowania urządzenia, będzie to dopiero koniec początkowej fazy badań, mówi uczona. « powrót do artykułu