O autorze
Oblatuję świat posmoleński, okiem fizyka próbując zlokalizować szczątki normalności wsród wezbranych odmętów fałszywej "fizyki smoleńskiej" i brudnawej polityki. Jasne, że nie chcę opowiadać w kółko o katastrofie. Jednak, jako że ten temat będzie dominował w najbliższym czasie (pon. 50 lat, wg. Tomasza Lisa, wg mnie tylko pon. 25 lat), może nieco zepchnąć na bok superkomputery, bezpieczne małe lotnictwo, najnowszą astrofizykę i przestrzenie Ameryki Północnej.
Mam popularny w 2011-2014 blog Fizyka Smoleńska w Salonie24, który po kilkuletniej przerwie kontynuuję.

Układy podwójne i nowoodkryte fale grawitacyjne

Fizycy, astrofizycy i inżynierowie zespołu LIGO odkryli fale grawitacyjne, wyemitowane przez łączący się, zlewający w jedną, układ podwójny tańczących wokół siebie czarnych dziur o masach około 30 mas słońca. Były kiedyś zwykłymi lecz bardzo masywnymi gwiazdami. Ostatnie chwile ich podwójnego życia były dramatycznie krótkie, wszystko zmieniało się w ciągu zaledwie 1/10 sekundy, można powiedzieć że spadły na siebie z małej już odległości w tak krótkim czasie. Wszystko to wynika z rozwiązań numerycznych równań teorii Einsteina (Ogólnej Teorii Względności). A teraz także z bezpośredniej detekcji, ogłoszonej 11 lutego 2016 r. Opowiem krótko (bez żadnych wzorów!) o teorii, odkrytych falach, a w szerszym wywiadzie dla studia Star Spot (po ang.) o nauce w różnych krajach, życiu we dwoje gwiazd, planetach w układach podwójnych, czarnych dziurach w gromadach gwiazd i o ostatecznym finale ich połączenia, które właśnie po dziesiątkach lat starań zaobserwowano.


Fale grawitacyjne, czyli teoria względności w pastylce
Fale grawitacyjne to zmarszczki w próżni - w zasadniczym materiale budulcowym naszego świata, szumnie nazywanego Wszechświatem. Doprawdy to przesadna nazwa, bo cóż on za Wszech-, jeśli mówimy w zasadzie o małej, obserowowalnej części czegoś znacznie, znacznie większego. Nasz świat, jak myślały poprzednie pokolenia (moje też), wiąże w całość grawitacją, która spowalnia jego początkowo bardzo szybkie rozszerzanie po Wielkim Wybuchu. Teraz już wiemy, że tak nie jest. To materiał na osobną opowieść.



Z początku ludzie słusznie wierzyli, że świat jest sceną dość dynamicznych i chaotycznych procesów, ale od kiedy atomiści jońscy przegrali konkurs popularności z innymi szkołami filozofii greckiej, w głowach ludzi zagnieździła się błędna idea, że świat w dużej skali jest stacjonarny, że nic się z nim jako całością nie dzieje - jak był stworzony tak trwa, a stworzony był zaledwie ok. 6000 lat temu, wiec nic w tym dziwnego, bo to nie tak dawno. W nowożytnych czasach, sporo zamieszał Einstein i ludzie, którzy pierwsi zrozumieli i zastosowali jego teorię, co nie było łatwe, np. Friedman, Lemaitre i Eddington, czy K. Schwarzschild. Co mówi Ogólna teoria względności, czyli teoria pola grawitacyjnego? Nie oddam sprawy może super-ściśle, ale to nam niepotrzebne.

Teoria Einsteina mówi, że czas i przestrzeń są powiązane w czasoprzestrzeń, coś co ma cztery wymiary, powiedzmy x, y, z, t. Równania Einsteina dla czasoprzestrzeni i pola grawitacyjnego są takie, że: czasoprzestrzeń może się "uginać" pod wpływem mas w niej rozłożonych trochę tak, jak guma albo trampolina. Natomiast ruch mas reguluje nie jakaś tam "siła grawitacji Newtona", co to przez prawie trzy stulecia miała działać natychmiast i na dowolnie wielkim dystansie, a wiec jakieś "czary", przez Newtona bynajmniej nie wyjaśnione. Przeciwnie, grawitacja to przejaw tego, że przestrzeń jest zakrzywiona, ugięta, przez masywne obiekty, przy czym energia to jak wiadomo masa, wiec i ona zagina czasoprzestrzeń. I to w zasadzie kończy zasadniczy wykład teorii grawitacji Einsteina - proste, co?

Pozostało wyjaśnić, co oznacza w praktyce to 'zakrzywienie'. Ano oznacza, że w zakrzywionej, nie 'płaskiej' (euklidesowej) przestrzeni, suma kątów trójkąta nie jest dokładnie równa 180 stopni i że promienie światła nie lecą po prostej tylko zakręcają w kierunku masywnych obiektów, jak Słońce. Tak, jakby światło było samo masywne i podlegało sile przyciągania
Naprawdę nie jest masywne, tylko leci po tzw. liniach geodezyjnych, tak aby jak najszybciej dolecieć. Zakrzywienie toru światła gwiazd koło Słońca przewidywane przez teorię odkrył w prezencie dla Einsteina Eddington w 1919 r. Dlaczego w prezencie? Obaj byli wyrzutkami walczących wtedy niedawno w 1szej wojnie społeczeństw, byli pacyfistami i bratnimi duszami w mocno podzielonym świecie.

A owe ugięcia czasoprzestrzeni (co nie tylko coś nietypowego robią z kątami ale też i z biegiem czasu) - czy one muszą być stacjonarne?
Oczywiście że nie - czy ktoś widział trampolinę którą dzieciaki zostawią na długo nieruchomą?

Jeśli dzieci trzymają się za ręce i tańczą wokół siebie w kółko, to to odpowiada właśnie układowi podwójnemu gwiazd bez przerwy deformującemu materiał trampoliny, tworząc rozchodzące się w nieskończoność spiralnego kształtu ugięcia i zafalowania (czasoprzestrzeni), jak na rysunku. To są właśnie fale grawitacyjne, które poruszają się zgodnie z teorią względności z prędkością światła (światło jest zaburzeniem pola elektromagentycznego, ale podlega temu samemu ograniczeniu prędkości).

Tańcząc na trampolinie musimy część swej energii oddać na deformowanie jej elastycznego materiału, po czym fale unoszą gdzieś tę energię. W przypadku dzieci problemu z energią na ogół nie ma! W układach podwójnych też w zasadzie są jej duże zasoby - im mniejszy, tj. ciaśniejszy układ, tym niższa jest jego energia grawitacyjna i całkowita, gdyż ciała położone są w głębszej studni potencjału energii. Układy podwójne muszą emitować energię w postaci spiralnych zmarszczek czasoprzestrzeni (próżni), przez co muszą oddawać swą energię i po spirali zacieśniać swój taniec, w istocie coraz szybciej, aż do końcowego aktu zderzenia i połączenia składników. Całkowita moc promieniowania grawitacyjnego w krótkim okresie emisji ostatniego ciągu silnych fal grawitacyjnych przy łączeniu czarnych dziur jest fantastycznie wysoka, 50 razy większa niż emitowana przez wszystkie gwiazdy i galaktyki w obserwowalnym wszechświecie. Ale czas trwania jest niewielki, stąd całkowita ucieczka energii nie przekracza 3 mas Słońca w przypadku dziś ogłoszonym (po przeliczeniu ze wzoru E=m c^2, 'E=m-c-kwadrat'). Energia ne jest też emitowana głównie jako fale elektromagentycne tylko do tej pory nieuchwytne grawitacyjne.

A co to za wielkie odkrycie?
Grawitacyjne spiralownie zagraża w praktyce tylko bardzo małym i gęstym obiektom: gwiazdom neutronowym i czarnym dziurom. Inne nie powodują tak głębokich ugięć i fal, utrata energii jest powolna i ich ruch po spirali trwa o wiele dłużej, niż wiek wszechświata (14 miliardów lat, plus minus para kaloszy). Ale jeśli istnieją czarne dziury we wszechświecie, to istnieją też ich pary, a co jakiś czas któraś para się łączy.

Ta zaobserwowana we wrześniu 2015 r. połączyła się 1/11 wieku wszechświata wstecz, tak daleko od nas, że dopiero teraz ciąg fal do nas dotarł z odległości 1.3 miliarda lat świetlnych (14/11 ~ 1.3). Nie wiadomo, gdzie dokładnie był położony układ podwójny, no może tylko mniej więcej w kierunku jakiego gwiazdozbioru. To się ma niedługo w polepszyć.

Wiele o obserwatorium LIGO można przeczytać na polskiej stronie wiki.

Skoro nie wiadomo nawet z jakiego kierunku dokładnie odebraliśmy sygnał o wydarzeniu, to skąd wiadomo z jak daleka? Odległość wyliczono z natężenia fal grawitacyjnych. Mimo wielkiej mocy, do nas dotarła już tylko strasznie mała amplituda - czasoprzestrzeń zafalowała tak nieznacznie, że do wykrycia tego faktu przy użyciu obserwatorium LIGO (docelowo wiele anten na wielu kontynentach) uczeni potrzebowali nauczyć się czegoś zdawałoby się absolutnie niemożliwego: zauważyć zmianę odległości luster w układzie LIGO (poprzez pomiar czasu lotu światła - to umiemy mierzyć najdokładniej) o 1/1000 rozmiaru PROTONU (!). Niewiarygodne, ale udało się. Chyba w promieniu 10 km (samo ramię anteny ma 4 km) każą tam zdejmować buty i chodzić w skarpetkach, delikatnie, na palcach!?

Ta nieprawdopodobnie mała zmiana odległości luster anten-interferometrów LIGO pod wpływem fal grawitacyjnych pokazuje, jak trudno było uzyskać pierwszy potwierdzony odbiór fal. Deformacja przestrzeni, procentowe jej rozciągnięcie, w zakresie anteny wyniosła zaledwie 0.0000000000000000001 procenta.


Fal takich szukano już od dawna, liczono, że może dadzą się schwytać już gdy byłem studentem (80-85). Właśnie dlatego, jest to wielkie osiągnięcie techniczne. Otwarcie nowego, grawitacyjnego okna na świat, podobnie jak 400 lat temu otwarło się okno obserwacji optycznych (teleskop Galileusza), a potem nastąpiły; astronomia podczerwona, ultrafioletowa, radiowa, rentgenowska, milimetrowa, gamma i neutrinowa (jedyna nieelektromagnetyczna astronomia do tej pory).

Życie różnych układów podwójnych
Gdyby komuś chciało się wysłuchać długiego wywiadu, zaczynającego się gdzieś w połowie godzinnego nagrania audycji popularno-naukowej stacji internetowej Star Spot z Toronto, rozmowy o układach podwójnych i planetarnych, łącznie z układami podwójnymi czarnych dziur (jak ta ogłoszona dzisiaj), to oferuję stonę sieciową z tym wywiadem.

Tytuł: "Dwoje to już towarzystwo: od gwiazd podwójnych do czarnych dziur - Pawel Artymowicz", (po ang.!) starspotpodcast.com

Tam jest link do MP3-ki, pod URL-em: planets.utsc.utoronto.ca

Powiedziałem tam m.in. (44:00) ...They [the gravitational waves] haven't been found yet; we expect it to happen very soon..." Nagranie było zrobione 2 listopada 2015 r.

W grudniu odwiedzajac CAMK (Centrum im Kopernika PAN w Warszawie) i dajac tam seminarium, dowiedziałem się po raz pierwszy od polskich astronomów współpracujących z LIGO, że już wkótce nastąpi ogłoszenie pierwszych wyników. A więc miałem rację udzialając wywiadu i mówiąc, że to już bardzo niedługo się zapewne stanie.

A oto spis treści:
14:30 - Wprowadzenie
15:15 - Opowiadanie o mojej historii badań astrofizycznych w różnych krajach, porównanie pracy i zasad finansowania nauki w kilku krajach
17:40 - Crafoord Prize - szwedzka "astronomiczna nagroda Nobla"
18:15 - Sieci europoejskie
19:19 - Popularyzacja astronomii
20:30 - Układy podwójne gwiazd, jak wiele ich jest, jak się tworzą w gromadach otwartych
23:10 - Gromady kuliste i ich ewolucja, problem występowania w nich masywnych czarnych dziur
26:14 - Jak gwiazdy podwójne ogrzewają gromady kuliste i przeszkadzają powstaniu wielkich czarncyh dziur w gromadach kulistych
27:30 - Jeszcze o powstawaniu gwiazd podwójnych
29:30 - Czy podwójność przeszkadza pojawieniu się układu podwójnego? Mechanika oddziaływania dysków i gwiazd
36:47 - Nowe obserwacje układów planetarnych (egzoplanet)
40:45 - Czarne dziury w układach podwójnych. Pochodzenie i ewolucja
42:20 - Supernowe typu Ia oraz gwiazdy neutronowe. Fizyka, energie
43:54 - Spiralowanie w zwiazku z emisją fal grawitacyjnych. Fałdy w czasoprzestrzeni i łączenie par
45:50 - Asymetryczne zlewanie się masywnych czarnych dziur. Wynik zderzeń galaktyk
45:40 - Proces migracji masywnych czarnych dziur po połączeniu galaktyk i problemy w małej odległości
47: 10 - Czy pary czarnych dziur mogą żyć wiecznie?
48: 10 - Problem wewnętrznego parseka i jak go rozwiazać teoretycznie: dynamika gazu
50:13 - Jak fale grawitacyjne pomogą poznać świat masywnych czarnych dziur
51:33 - Co jeśli nie znajdziemy wiele przypadków łączących się masywnych czarnych dziur
52:37 - koniec wywiadu
Trwa ładowanie komentarzy...