Skip to main content

Gravitational Self-Force and Post-Newtonian Methods for Gravitational Wave Detection

Article Category

Article available in the folowing languages:

Poszukiwanie formy fal grawitacyjnych Einsteina

Jak wyglądają fale grawitacyjne? Do tej pory udało nam się poznać szereg odpowiedzi na to pytanie, natomiast w ramach finansowanego przez Unię Europejską projektu GravityWaveWindow naukowcy starają się zgłębić ten temat.

Badania podstawowe

Fale grawitacyjne stanowią fale w czasoprzestrzeni, których źródłem są oddziaływania pomiędzy olbrzymimi obiektami międzygwiezdnymi. Te przemieszczające się z prędkością światła niewidzialne fluktuacje zostały przewidziane przez Alberta Einsteina przeszło wiek temu, a w 2015 roku naukowcom udało się wykryć je po raz pierwszy w historii. Ponadto fale grawitacyjne są jedyną formą klasycznego promieniowania wyzwalanego przez czarne dziury, dzięki której naukowcy na Ziemi są w stanie wykrywać i badać te tajemnicze i potężne zjawiska. „Fale grawitacyjne mogą powstawać w kilku sytuacjach, a jedną z najczęściej występujących jest zderzenie dwóch czarnych dziur”, wyjaśnia Anna Heffernan reprezentująca University College w Dublinie, główna badaczka projektu GravityWaveWindow. Przed nastąpieniem zderzenia obie czarne dziury uwalniają energię w formie fal grawitacyjnych do przestrzeni kosmicznej, co pozwala ich orbitom na skurczenie się i prowadzi do zderzenia obu obiektów, w wyniku czego wyzwalają ogromne ilości fal grawitacyjnych. „Badanie tego rodzaju układów jest niezwykle ważne, ze względu na to, że rozmiar i spin czarnych dziur pozwala na wyciąganie wniosków i uzyskiwanie informacji na poziomie kosmologicznym (kiedy powstały te czarne dziury? W jaki sposób powstały? Z jaką prędkością rozszerza się Wszechświat?), astrofizycznym (z czego składają się galaktyki? W jaki sposób powstają i rozrastają się? Czy ewolucja galaktyki jest związana ze znajdującą się w jej centrum czarną dziurą?), a nawet na poziomie fundamentalnej wiedzy fizycznej (czy Albert Einstein miał rację? Czy występują jakiekolwiek odchylenia od ogólnej teorii względności? Czy fale grawitacyjne odpowiadają naszym przewidywaniom?)”, wyjaśnia Heffernan.

Poszukiwanie formy fal grawitacyjnych

Projekt GravityWaveWindow skupił się na badaniu kształtu fal, aby usprawnić w ten sposób wykrywanie ich przez detektory i pomóc naukowcom w gromadzeniu szczegółów ukrytych wśród danych. „Po wykryciu sygnałów są one porównywane z modelami kształtów fal umożliwiającym uzyskiwanie wartości parametrów takich jak wielkość czarnych dziur lub to, czy obracały się wokół własnej osi”, mówi Heffernan. W ramach projektu naukowcy przyjrzeli się kształtom fal z dwóch perspektyw. W pierwszym przypadku badacze skupili się na falach powstających w układach, w których jeden z obiektów jest około milion razy mniejszy od drugiego, określanych mianem EMRI (Extreme Mass Ratio Inspirals). „Podejrzewa się, że układy te istnieją w centrum wielu galaktyk, w których znajdują się także supermasywne czarne dziury”, wyjaśnia Heffernan. Drugim obszarem, na którym skupili się naukowcy, były fale przewidziane przez jeden z wariantów teorii względności Einsteina, czyli grawitację skalarno-tensorową. Obliczanie kształtów fal związanych z alternatywnymi teoriami grawitacji pozwoli naukowcom sprawdzić te możliwości w odniesieniu do fal zarejestrowanych zarówno w przeszłości, jak i w przyszłości.

Na ramionach olbrzymów

W ramach projektu powstały precyzyjne opisy mocno zakrzywionej czasoprzestrzeni wokół mniejszych czarnych dziur w układach EMRI, które pozwolą na znaczące przyspieszenie procesu analizy w przyszłych badaniach. W przypadku grawitacji skalarno-tensorowej, zespół prowadzony przez Heffernan opracował pakiety pozwalające na tworzenie niezbędnych obliczeń pozwalających na odwzorowanie kształtów fal. Ciężka praca i sukces projektu GravityWaveWindow pomoże naukowcom z Unii Europejskiej w przyszłych przedsięwzięciach związanych z kosmosem, takich jak między innymi misja LISA planowana przez Europejską Agencję Kosmiczną na 2034 rok. „Jedną z rzeczy, która najbardziej zachwyca mnie w kontekście tego projektu, jest fakt, że napisałam wniosek i uzyskałam dofinansowanie jeszcze przed zaobserwowaniem fal grawitacyjnych”, dodaje Heffernan, doceniając fakt, że Komisja Europejska pokłada w ramach swojego programu „Horyzont 2020” tak wielką nadzieję i wiarę w europejskich naukowców. „Zarówno mój projekt, jak i wiele innych realizowanych działań, otrzymały finansowanie na podstawie wiary w możliwość osiągnięcia przełomu w nauce, nie na podstawie pewności”, podsumowuje Heffernan. Badania w ramach projektu przeprowadzono dzięki wsparciu z działania „Maria Skłodowska-Curie”.

Słowa kluczowe

GravityWaveWindow, czarne dziury, kolizje, fale grawitacyjne, Einstein, długości fal

Znajdź inne artykuły w tej samej dziedzinie zastosowania