Znajdź zawartość

Przed 10 laty 14 września 2015 roku interferometr LIGO zarejestrował pierwsze fale grawitacyjne wykryte przez człowieka (o ich odkryciu poinformowano 11 lutego 2016 roku). Ludzkość zyskała 3. sposób badania kosmosu, po falach elektromagnetycznych i promieniowaniu kosmicznym. Tym razem zaobserwowaliśmy zaginanie czasoprzestrzeni. Obecnie LIGO rutynowo wykrywa fale grawitacyjne. We współpracy z Virgo (Włochy) i KAGRA (Japonia) tworzy sieć LVK, która średnio co trzy dni rejestruje fale pochodzące z połączenia czarnych dziur. Teraz naukowcy z LVK zdobyli drugi w historii, i jednocześnie najdokładniejszy, dowód obserwacyjny, na prawdziwość teorii o powierzchni czarnych dziur Stephena Hawkinga. W przełomowych badaniach brała udział duża grupa polskich uczonych z Centrum Astronomicznego im. Mikołaja Kopernika, Uniwersytetu Warszawskiego, Uniwersytetu Jagiellońskiego, Polskiej Akademii Nauk, Uniwersytetu w Białymstoku i Narodowego Centrum Badań Jądrowych. W 1971 roku Stephen Hawking zaprezentował teorię, zgodnie z którą całkowita powierzchnia horyzontu zdarzeń czarnej dziury nigdy się nie zmniejsza. Pierwsze zarejestrowane przez człowieka fale grawitacyjne pochodziły z wydarzenia GW150914, które po analizie okazało się połączeniem czarnych dziur o masach 29 i 36 mas Słońca. W ich wyniku powstała nowa czarna dziura o masie 62 mas Słońca, a brakujące masa 3 Słońc została wyemitowana w postaci promieniowania grawitacyjnego. Gdy Stephen Hawking się o tym dowiedział, skontaktował się z naukowcami z LIGO i zapytał, czy wykryte zjawisko potwierdza jego teorię o powierzchni. Wówczas jednak naukowcy nie byli w stanie odpowiedzieć na to pytanie. Dopiero w 2019 roku, już po śmierci Hawkinga, stworzono odpowiednie techniki analizy danych. Dwa lata później, w 2021 roku ostatecznie stwierdzono, że obserwacje wykazały, iż powierzchnia wynikowej czarnej dziury się nie zmniejszyła. Dokładność obserwacji wynosiła 95%, czyli około 2 sigma. To zbyt mało, by mówić o odkryciu. Obecnie nadeszło silniejsze potwierdzenie prawdziwości teorii Hawkinga. Znaleziono je w danych z interferometru LIGO – Virgo i KAGRA były akurat wyłączone – który 14 stycznia bieżącego roku zaobserwował sygnał GW250114. Dostarczył on najsilniejszych dowodów na prawdziwość twierdzenia Hawkinga. ANaliza wykazała, że całkowita powierzchnia obu czarnych dziur, które się połączyły, wynosiła 240 000 km2, a powierzchnia nowo powstałej czarnej dziury to około 400 000 km2. Tym razem dokładność obserwacji wynosi 99,999%. Szczegóły badań opublikowano na łamach Physical Review Letters. Ten wyjątkowy pomiar był możliwy dzięki 10 latom udoskonaleń interferometru. Prace były prowadzone w obu wykrywaczach, w stanach Waszyngton i Louisiana. Nie wiem, co będzie za 10 lat, ale poprzednie 10 lat to czas olbrzymiego wzrostu czułości LIGO. Dzięki temu nie tylko wykrywamy coraz więcej nowych czarnych dziur, ale zdobywamy coraz bardziej szczegółowe dane na ich temat, mówi profesor Katerina Chatziioannou. Fale grawitacyjne ściskają i rozciągają przestrzeń o 1 część na 1021, zatem cała ziemia jest ściskana lub rozciągana o około szerokość atomu. LIGO składa się z dwóch bliźniaczych urządzeń umieszczonych w odległości około 3000 kilometrów od siebie. Każde z urządzeń ma kształt litery L o ramionach długości 4 kilometrów. Na końcach ramion znajdują się 40-kilogramowe lustra umieszczone dokładnie w tej samej odległości od lasera. W ich stronę wystrzeliwana jest wiązka lasera, która odbija się od luster i wraca do detektorów. Jeśli w trakcie ostrzeliwania luster laserem przez Ziemię przejdzie fala grawitacyjna, zmieni się odległość pomiędzy jednym z luster a laserem. Zatem światło w obu ramionach przebędzie różną drogę. Między promieniami światła dojdzie do interferencji, a badając ją naukowcy mogą mierzyć relatywną długość obu ramion z dokładnością do 1/10 000 szerokości protonu. To wystarczy, by wykryć zmiany długości ramion interferometru spowodowane przejściem fali grawitacyjnej. Wykorzystanie dwóch identycznych urządzeń położonych w dużej odległości od siebie ma na celu eliminację części zakłóceń powodowanych źródłami na Ziemi (może zostać zakłócone jedno urządzenie, ale drugie położone tak daleko nie odczuje zakłócenia lub będzie to odczuwalne w inny sposób). Duża odległość pozwala też na dodatkowe upewnienie się, że przeszła fala grawitacyjna. Fale te rozchodzą się bowiem z prędkością światła, dokładnie więc wiemy, jakie może być opóźnienie zarejestrowanego sygnału pomiędzy jednym a drugim urządzeniem. Dzięki odległości dzielącej urządzenia możemy też dokonywać lepszej triangulacji, czyli lepiej określać źródło sygnału, a włączenie do tej sieci Virgo i KAGRA dodatkowo zwiększa precyzję pomiarów. « 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