Sygnałów z pierwszych chwil po Wielkim Wybuchu będą nasłuchiwać badacze dzięki nowej metodzie wykrywania fal grawitacyjnych.
Fale grawitacyjne to jedno z najbardziej fascynujących odkryć współczesnej fizyki. To właśnie one, mikroskopijne zmarszczki czasoprzestrzeni, które przewidział Albert Einstein ponad sto lat temu, pozwalają nam dziś „słuchać” Wszechświata w zupełnie nowy sposób. Do tej pory jednak słyszeliśmy tylko jego najgłośniejsze i najcichsze nuty. Teraz naukowcy z Uniwersytetów w Birmingham i Sussex zaprezentowali sposób, by usłyszeć także to, co znajduje się pomiędzy.
Fale grawitacyjne są do tej pory obserwowane w wysokich częstotliwościach przez naziemne detektory, takie jak LIGO i Virgo, oraz w ultraniskich częstotliwościach przez pomiary pulsarów. Jednak pasmo środkowe pozostawało dla nauki białą plamą.
Wykorzystując technologię opracowaną dla optycznych zegarów atomowych, możemy teraz rozszerzyć zasięg wykrywania fal grawitacyjnych o zupełnie nowy zakres częstotliwości i to dzięki instrumentów mieszczących się na stole laboratoryjnym. Otwiera to ekscytującą możliwość zbudowania globalnej sieci takich detektorów i poszukiwania sygnałów, które w przeciwnym razie pozostałyby ukryte przez co najmniej kolejną dekadę – mówi współautorka badania, dr Vera Guarrera z Uniwersytetu w Birmingham.
Koniec gigantycznych maszyn
Nowa metoda umożliwia obserwację zjawisk astrofizycznych i kosmologicznych, których nie da się wykryć dzięki obecnych instrumentów. Artykuł na ten temat został opublikowany w czasopiśmie Classical and Quantum Gravity.
Naukowcy zaprezentowali w nim detektor, który wykorzystuje wnęki optyczne, technologię opracowaną pierwotnie dla optycznych zegarów atomowych, do pomiaru drobnych przesunięć fazowych w świetle laserowym spowodowanych przez przechodzące fale grawitacyjne.
Wnęki optyczne to w największym uproszczeniu metoda zwiększania długości drogi (optycznej) dla promieniowania laserowego poprzez wielokrotne odbicia tego samego światła.
Dla nas najważniejsze jest to, iż opracowane w ten sposób „wykrywacze” fal grawitacyjnych mogą być kompaktowe. To ogromny postęp, bo teraz detektory takie jak LIGO są ogromne i ciągną się kilometrami, a więc są to konstrukcje niezwykle drogie.
To jednak nie koniec zalet. Nowe urządzenia są niezwykle precyzyjne – odporne na szum sejsmiczny i szum newtonowski, czyli zakłócenie związane z wahaniami pola grawitacyjnego Ziemi. Pozwalają choćby na identyfikację polaryzacji fali i kierunku jej źródła. W nowych detektorach możliwe będzie wykrycie fal grawitacyjnych w trudno uchwytnym paśmie częstotliwości miliherców (10⁻⁵ – 1 Hz).
Wszechświat przemawia do nas falami
Pasmo częstotliwości miliherców, nazywane czasami pasmem środkowym, ma rejestrować sygnały z tak egzotycznych miejsc we Wszechświecie jak krążące w piekielnym uścisku zwarte układy podwójne białych karłów i połączenia czarnych dziur.
Przyszłe misje kosmiczne, takie jak detektor LISA, zapewnią wyższą czułość w paśmie środkowym, ich uruchomienie jest kwestią ponad dekady. Proponowane detektory z wnękami optycznymi zapewniają natychmiastowy i ekonomiczny sposób eksploracji pasma milihercowego.
Nasz detektor pozwala nam testować astrofizyczne modele układów podwójnych w naszej galaktyce, badać łączenie się masywnych czarnych dziur, a choćby szukać śladów fal z pierwszych chwil po Wielkim Wybuchu. Dzięki tej metodzie dysponujemy narzędziami do rozpoczęcia badania tych sygnałów z Ziemi – powiedział prof. Xavier Calmet z Uniwersytetu Sussex.
Co więcej, badacze sugerują, iż połączenie tych nowych detektorów z istniejącymi sieciami zegarów atomowych może rozszerzyć wykrywanie fal grawitacyjnych na jeszcze niższe częstotliwości, tworząc z naziemnymi detektorami LIGO-Virgo (wysokie częstotliwości) oraz sieciami pulsarowymi (ultra-niskie częstotliwości) kompletny zestaw narzędzi do nasłuchiwania całego spektrum kosmicznych drgań.
Odkrycie pierwszych fal grawitacyjnych przez LIGO w 2015 r. otworzyło nową erę w astronomii. Ale, jak widać, to dopiero wstęp. W miarę jak technologia staje się coraz bardziej precyzyjna, kolejne okna na Wszechświat zaczynają się otwierać.
