Badania nad próżnią przepustką do - Nagrody Nobla Olbrzymie lampy próżniowe pomagają udowodnić istnienie fal grawitacyjnych

Badania nad próżnią przepustką do - Nagrody Nobla Olbrzymie lampy próżniowe pomagają udowodnić istnienie fal grawitacyjnych

Istnienie fal grawitacyjnych przewidział — już ponad sto lat temu — Albert Einstein. Ale dowód na to, że faktycznie występują we wszechświecie, znaleziono dopiero w 2015 roku. Pomogły w tym lampy próżniowe o długości dwóch kilometrów użyte w charakterze przyrządu pomiarowego.
05.4_Gravitationswellen.jpg

Fale grawitacyjne ściskają i rozciągają przestrzeń. Odbywa się to na podobnej zasadzie jak marszczenie powierzchni wody przez wrzucony do niej kamień. Zjawisko marszczenia czasoprzestrzeni powodują katastrofy kosmiczne, takie jak eksplozja gwiazdy czy zapadnięcie się czarnej dziury. Fale grawitacyjne rozchodzą się wówczas z prędkością światła. Takie przynajmniej były założenia ogólnej teorii względności, którą w 1915 roku przedstawił Albert Einstein.

Jednak do 2015 roku istnienie tych tajemniczych fal było jedynie hipotezą, ponieważ wyjątkowo trudno jest je zaobserwować. Zmieniają przestrzeń zaledwie na mgnienie oka i tylko o wielkość stanowiącą ułamek średnicy atomu. Dowodu na istnienie fal grawitacyjnych dostarczyło zderzenie dwóch gigantycznych czarnych dziur — po upływie stu lat od czasu powstania mówiącej o nich teorii.

Przyrządy pomiarowe o długości kilometra

W kosmosie fale grawitacyjne marszczą czasoprzestrzeń już od dwóch miliardów lat, a na ziemi dopiero 14 września 2015 roku udało się ich użyć, aby w bardzo małym stopniu odkształcić pewną formę czasoprzestrzeni. Dokonano tego w USA, korzystając z dwóch identycznych, oddalonych od siebie o 3000 km, detektorów LIGO (ang. Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory, czyli Laserowe Obserwatorium Interferometryczne Fal Grawitacyjnych).

Każdy zawiera dwie lampy próżniowe ustawione pod kątem 90 stopni względem siebie. Jeden z tych detektorów ma długość dwóch kilometrów, a drugi — czterech. W miejscu styku dwóch lamp emitowana jest wiązka laserowa, dzielona na pół przez rozdzielacz. Następnie do każdej lampy trafia połowa wiązki. Dzięki zastosowaniu luster półprzepuszczalnych światło wielokrotnie przemieszcza się do przodu i do tyłu, zanim wreszcie wróci do rozdzielacza wiązki, po pokonaniu odległości 1120 km. Gdy przez przestrzeń przechodzi fala grawitacyjna, jedno z ramion detektora ulega rozciąganiu, a drugie ściskaniu. Skutkiem jest wykrywalna zmiana intensywności wiązki laserowej.

Próżnia a dokładność pomiaru

Aby zapewnić bezawaryjne działanie przyrządów pomiarowych, w lampach zastosowano ciśnienie o wartości jednej bilionowej ciśnienia powietrza na poziomie morza. Najpierw przez 30 dni podgrzewano lampy, a potem usunięto z nich resztki powietrza za pomocą wysoko wydajnych pomp próżniowych. Na koniec pozostałe w lampach molekuły gazu wyssano, korzystając z pomp jonowych. Uzyskana w ten sposób bardzo wysoka próżnia była całkowicie wolna od molekuł powietrza, które mogłyby odchylać wiązkę laserową lub wprawiać w drgania lustra, a także od pyłu, który mógłby rozpraszać światło.

W lutym 2016 roku, po żmudnych obliczeniach, naukowcy biorący udział w eksperymencie mogli wreszcie ogłosić, że udało im się zaobserwować fale grawitacyjne i potwierdzić w ten sposób teorię Einsteina. Autorów pionierskiego badania — Rainera Weissa, Barry'ego C. Barisha i Kipa Thorne'a — uhonorowano w 2017 roku Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki.


Od czasu potwierdzenia w 2015 roku, że fale grawitacyjne naprawdę istnieją, podjęto kolejne badania, które również pozwoliły zaobserwować zmarszczki czasoprzestrzeni. Ostatnie miało miejsce 14 sierpnia 2017 roku. Przeprowadzono je w pobliżu Livorno we Włoszech, używając detektora Virgo współpracującego od niedawna z LIGO i dzielącego z nim wiele rozwiązań konstrukcyjnych. Źródłem fal było zderzenie gwiazd, do którego doszło mniej więcej 1,8 mld lat świetlnych temu. Badacze mają nadzieję dotrzeć do nowych informacji o historii wszechświata i rządzących nim prawach fizyki. Istnieje też szansa, że z pomocą detektorów fal grawitacyjnych uda się znaleźć ślady ciemnej materii, chociaż nie ma ona nic wspólnego z tymi falami.

Istnienie ciemnej materii to wciąż jedynie hipoteza — podobnie jak do niedawna miało to miejsce w przypadku fal grawitacyjnych. Astrofizycy twierdzą, że gdyby ciemna materia nie istniała, galaktyki zostałyby rozerwane na strzępy pod wpływem siły odśrodkowej, która powstaje, gdy się obracają. Powołują się przy tym na wyniki swoich badań i obliczeń. Musi jej być pięciokrotnie więcej niż materii, którą widać.

Z pomocą detektorów LIGO i Virgo astronomowie mogą dziś nie tylko lokalizować czarne dziury, ale również „posłuchać", co mają one do powiedzenia na temat narodzin galaktyk. Według jednej z teorii ciemna materia składa się z pierwotnych czarnych dziur powstałych na skutek Wielkiego Wybuchu. Choć z tą hipotezą nie zgadza się większość fizyków, warto zbadać ją z użyciem detektorów fal grawitacyjnych, żeby albo ją potwierdzić, albo ostatecznie odrzucić i skupić się na innych możliwych wyjaśnieniach.


Subskrybuj biuletyn „World of Vacuum"!
Subskrybuj teraz, aby otrzymywać najnowsze ciekawe wiadomości z branży urządzeń próżniowych.

SUBSKRYBUJ