Wywiad z Jocelyn Bell Burnell /Interview with Jocelyn Bell Burnell

W 1967 roku astrofizyczka Jocelyn Bell Burnell odkryła pierwsze cztery pulsary, wówczas jeszcze nieznane obiekty astronomiczne. Pulsar to bardzo gęsta, wysoce zmagnetyzowana, rotująca gwiazda neutronowa (lub biały karzeł), która w regularnych odstępach czasu emituje wiązkę promieniowania elektromagnetycznego (zazwyczaj są to fale radiowe). Pulsary odegrały bardzo ważną rolę w innych przełomowych odkryciach – np. w latach 70.XX wieku podwójny układ pulsarów dostarczył pierwszego pośredniego dowodu na istnienie fal grawitacyjnych, a w 1991 polski astronom, Aleksander Wolszczan oraz kanadyjski astronom, Dale Frail odkryli pierwsze trzy planety pozasłoneczne krążące wokół pulsara.

A jak to było z tymi falami grawitacyjnymi?

W sformułowanej pod koniec 1915 roku ogólnej teorii względności Albert Einstein zawarł taki oto postulat: opisana przez sir Newtona grawitacja jest konsekwencją zakrzywienia czasoprzestrzeni. Czas i przestrzeń są ze sobą ściśle związane i tworzą czterowymiarową strukturę, a masa ciał niebieskich – planet, gwiazd, księżyców itd. – powoduje jej „odkształcenie”. Można to zgrabnie zilustrować przy użyciu trampoliny – jeśli macie taką „zabawkę” w ogródku, możecie od razu wykonać kilka doświadczeń. Gdy na środku naciągniętej na trampolinie gumowej płachty położymy ciężką kulę, płaszczyzna materiału zostanie wgnieciona. Kiedy następnie na krawędzi trampoliny umieścimy mniejszą kulkę, krzywizna płachty szybko zniesie ją do środka, w kierunku dużej kuli. Tylko tyle i aż tyle, bo na tym właśnie polega siła przyciągania: duża kula zakrzywia przestrzeń wokół siebie, dlatego lżejszy przedmiot będzie ku niej podążał, kiedy zostanie puszczony w ruch. Podobnie sprawy mają się w kosmosie – wszystkie masy we Wszechświecie zakrzywiają czasoprzestrzeń, dzięki czemu wzajemnie się przyciągają. To jednak nie koniec. W tej samej pracy Einstein wspomniał o odkształceniach („zmarszczkach”) czasoprzestrzeni powstających za sprawą przyspieszających ciał niebieskich. Możemy na chwilę powrócić do doświadczenia z płachtą – jeśli umieszczoną na jej środku masywną kulę będziemy na prze[1]mian podnosić i opuszczać, na gumowej powierzchni pojawi się zaburzenie, podobne do fali. Choć istnienie takich fal – fal grawitacyjnych – wynikało z jego teorii i związanych z nią równań, sam Einstein miał co do nich poważne wątpliwości. Wielu współczesnych mu fizyków uważało takie zjawisko za matematyczne złudzenie, które na pewno nigdy nie znajdzie potwierdzenia.

W 1959 młody polki fizyk, Andrzej Trautman, w swojej rozprawie doktorskiej pokazał m.in., że energia wysyłana przez gwiazdy w postaci promieniowania grawitacyjnego powoduje zmniejszenie się energii danego układu ciał niebieskich – za chwilę opowiem o pomiarach wykonanych około 20 lat później, które to potwierdziły. Swoimi wczesnymi pracami młody, nieopierzony naukowiec dostarczył solidnych podstaw teoretycznych, które zainspirowały kolejnych uczonych do dalszych poszukiwań. Poszukiwań, które idealnie byłoby móc zwieńczyć spektakularnym eksperymentem skutkującym wykryciem fal grawitacyjnych. Można się domyślić, jak szalony wydawał się ten pomysł w latach 60. XX wieku – ponieważ oddziaływania grawitacyjne są bardzo słabe i w związku z tym bardzo trudne do wykrycia, nikt nie miał wątpliwości, że aby cokolwiek zaobserwować, trzeba nie tylko zbudować nie[1]zwykle kosztowne, ultra czułe urządzenia, lecz także mieć to szczęście, by w obserwowanej przestrzeni wydarzyła się gigantyczna kosmiczna katastrofa, taka jak wybuch supernowej lub zderzenie supermasywnych obiektów. Jednym z optymistów był młody amerykański profesor Kip Thorne, który w 1968 roku rozpoczął intensywną, wieloletnią kampanię na rzecz takiego projektu.

Tymczasem w 1974 roku amerykańscy astrofizycy Joseph Hooton Taylor oraz Russell Alan Hulse przy użyciu ogromnego radioteleskopu ulokowanego w Arecibo, w Puerto Rico, odkryli pulsara – szybko rotującą gwiazdę neutronową emitującą regularne impulsy promieniowania elektromagnetycznego (w przypadku tych obiektów są to najczęściej fale radiowe). Dalsze obserwacje wysyłanych przez pulsar sygnałów i odstępów między nimi utwierdziły uczonych w przekonaniu, że odkryty przez nich obiekt musi mieć towarzysza, jak się wkrótce okazało – także gwiazdę neutronową. Był to zatem pierwszy zaobserwowany przez astrofizyków układ podwójny tego typu obiektów – otrzymał on wdzięczną nazwę PSR B1913 16. Było to nie byle jakie osiągnięcie, ponieważ to właśnie ten kosmiczny duet okazał się przełomowym testem teorii grawitacji Einsteina i przewidzianych w jej ramach fal grawitacyjnych. Taylor i Hulse jeszcze dość długo, przez kolejnych kilka lat, skrupulatnie przyglądali się układowi i liczyli wysyłane przez niego impulsy. Dzięki temu zorientowali się, że gwiazdy krążą wokół siebie nawzajem po coraz bardziej zacieśniającej się orbicie. A skąd to zacieśnienie? Ano stąd, że rotujące ciała niebieskie tracą energię, emitując fale grawitacyjne – powinno to brzmieć znajomo, bo właśnie o tym pisał w swojej pracy doktorskiej Andrzej Trautman. Taylor i Hulse opublikowali swoje badania w 1978 roku, dostarczając tym samym pierwszego eksperymentalnego dowodu na istnienie fal grawitacyjnych.

No tak, ale czy to oznacza, że takie promieniowanie zostało wówczas fizycznie wykryte? Nic podobnego! Do tego była jeszcze bardzo długa droga – wiele lat przekonywania przedstawicieli instytucji naukowych, zbierania funduszy oraz projektowania wyrafinowanego urządzenia. Detektor zyskał nazwę LIGO (z ang. Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory), a w jego skład weszły dwa identyczne, olbrzymie, ultraczułe interferometry – przyrządy pomiarowe wykorzystujące zjawisko interferencji fal – oddalone od siebie o ponad 3 tysiące kilometrów. Dlaczego dwa? Największym wyzwaniem podczas projektowania i budowy LIGO było opracowanie sposobu uniknięcia zakłóceń, które mogą wystąpić podczas pomiarów. Do takich zakłóceń należą choćby przeloty samolotów czy roboty budowlane. Oprócz rozwiązań technicznych, takich jak urządzenia tłumiące drgania, postanowiono ustawić dwa bliźniacze instrumenty – dzięki temu nawet gdyby w jednym z nich doszło do zakłóceń, można było liczyć na drugi, znajdujący się w bardzo dużej odległości od pierwszego. Budowa LIGO trwała kilka lat – od 1996 do 2000 roku – jednak jeszcze co najmniej do 2010 roku wprowadzano serie poprawek i ulepszeń. Ukoronowaniem wysiłków setek naukowców i inżynierów było pierwsze w historii zarejestrowanie fal grawitacyjnych, które miało miejsce 14 września 2015 roku, a które naukowcy oficjalnie ogłosili 11 lutego 2016 roku. I teraz najlepsze: wykryte fale pochodziły ze zderzenia dwóch czarnych dziur oddalonych od Ziemi o 1,3 miliarda lat świetlnych. Innymi słowy, gigantyczna kosmiczna kraksa nastąpiła 1,3 miliarda lat temu, a w 2015 roku jej echo dotarło do ekstremalnie czułych, ustawionych na Ziemi urządzeń.

A więcej o polskim fizyku Andrzeju Trautmanie przeczytacie w książce:

A tutaj wywiad z Jocelyn Bell Burnell: