Prof. dr hab. JANUSZ ZIÓŁKOWSKI, absolwent Uniwersytetu Warszawskiego, astronom; obecnie profesor nadzwyczajny w Centrum Astronomicznym im. Mikołaja Kopernika PAN w Warszawie. Autor ponad 100 prac naukowych. W 1975 laureat nagrody młodych Polskiego Towarzystwa Astronomicznego. W latach 2005-2006 przewodniczący Grupy Ekspertów Astronomii ESFRI (European Strategy Forum for Research Infrastructure) przy Komisji Europejskiej w Brukseli. W latach 1991-1997 i 2004-2008 zastępca przewodniczącego Komitetu Badań Kosmicznych i Satelitarnych przy Polskiej Akademii Nauk. W latach 1999-2005 wiceprezes Polskiego Towarzystwa Astronomicznego.
Zespół naukowców amerykańskich zdołał zarejestrować zaburzenie („zmarszczkę”) czasoprzestrzeni wywołane przez zderzenie się dwu czarnych dziur w odległości ponad miliarda lat świetlnych (zmarszczki czasoprzestrzeni miały taką samą częstotliwość jak fale akustyczne odbierane przez ludzkie ucho i w tym sensie możemy mówić o dźwięku wydarzenia). Był to pierwszy bezpośredni dowód działania fal grawitacyjnych, których istnienie Albert Einstein – niemiecki fizyk żydowskiego pochodzenia – przewidział przed stu laty. Udany eksperyment w USA, przeprowadzony z pomocą Europejczyków, kompletuje wizję Einsteina, w którym następuje nakładanie się czasu i przestrzeni w sposób dynamiczny. Oto jak skomentował sensacyjny wynik eksperymentu „The New York Times”: „Dźwięk tego zderzenia potwierdza nam, jaka jest natura czarnych dziur, z których nie wydostaje się nawet światło, a które były najdalej sięgającym, acz najmniej dla nas przyjemnym przewidywaniem, wynikającym z teorii Einsteina. Energia przeniesiona przez fale grawitacyjne – aż 50 razy większa od energii wytwarzanej przez wszystkie gwiazdy Uniwersum razem wzięte – wywołała 14 września 2015 drżenie dwu anten w kształcie litery „L”, z których jedną zainstalowano w stanie Luizjana, drugą zaś w stanie Waszyngton. /.../ To delikatne piknięcie, które wedle zapisu nutowego urosło do środkowego C, zanim ustało, wygląda na coś, czemu przeznaczono już miejsce obok takich historycznych dźwięków jak: „Panie Watson, proszę tu przyjść” Aleksandra Bella (wynalazcy telefonu – przyp. red.) i pierwszego sygnału Sputnika z orbity okołoziemskiej ”.
MACIEJ PETRUCZENKO: Potwierdzenie istnienia fal grawitacyjnych to zatem kolejny wielki triumf Alberta Einsteina...
PROF. ZIÓŁKOWSKI: To, że do odkrycia doszło już teraz, rzeczywiście nas zaskoczyło. Możemy śmiało powiedzieć, że 11 lutego 2016 ogłoszono historyczny moment w rozwoju nauki. O tej samej godzinie w kilku miejscach na świecie – a jednym z tych miejsc była siedziba Polskiej Akademii Nauk w Warszawie – odbyły się konferencje prasowe, na których wreszcie opinia publiczna została poinformowana o wielkim odkryciu. Oczywiście wtajemniczeni naukowcy wiedzieli o tym już dużo wcześniej, ale wiadomość była do ostatniego momentu znakomicie utajniona. Chodziło o to, żeby nie doszło do przedwczesnego ogłoszenia niesprawdzonej do końca sensacji. Idealne wprost utajnienie sprawiło, że na warszawskiej konferencji prawie nie było dziennikarzy, bo nikt w światku medialnym nie miał pojęcia, co się szykuje. Naukowcy dotrzymali tajemnicy, nie było jakiegokolwiek przecieku. To utrzymanie tak ważnej informacji w sekrecie było chyba nawet przesadne, bo w efekcie na konferencji warszawskiej nie pojawili się przedstawiciele żadnej stacji telewizyjnej.
Jak to, co stało się teraz, odnieść do epoki odkryć Einsteina?
Najlepiej będzie, jeśli przeprowadzę analogię historyczną. Bo mamy do czynienia z takim momentem w dziejach nauki, który przechodzi do legendy. No więc niemal sto lat temu, 6 listopada 1919 roku, kilka lat po ogłoszeniu przez Einsteina – jeszcze wtedy niesprawdzonej – ogólnej teorii względności, odbyło się posiedzenie Królewskiego Towarzystwa Naukowego w Londynie, którego pełna nazwa w języku angielskim brzmi: Royal Society of London for Improving Natural Knowledge. Wybitny uczony brytyjski Arthur Eddington wybrał się do Afryki obserwować zaćmienie Słońca i potwierdzić tę teorię, a dokładnie – ugięcie promieni świetlnych w pobliżu Słońca, czyli w jego polu grawitacyjnym. Swoje sprawozdanie Eddington zaczął od zdecydowanego stwierdzenia: Einstein ma rację. Siła grawitacji wynika z lokalnej geometrii czasoprzestrzeni, a nie możemy mówić o takich wielkościach fizycznych jak prędkość i przyspieszenie, nie określiwszy układu odniesienia. Przypomnę, że ogólna teoria względności Einsteina została ogłoszona ledwie trzy lata wcześniej i fundamentalnie zmieniała podstawy naszej wiedzy. W czasie owej sesji Królewskiego Towarzystwa w sali powieszono portret Einsteina nad portretem Isaaca Newtona.
Był to zatem niezwykły gest ze strony Brytyjczyków...
Co ciekawe, gazety londyńskie bynajmniej nie zajmowały się wtedy drugą rocznicą Rewolucji Październikowej, tylko wielkimi tytułami krzyczały: Einstein ma rację, teoria Newtona obalona! Ten przełomowy moment w dziejach nauki jest do dzisiaj opisywany w podręcznikach.
Skoro punkt wyjścia, jaki przyjął Einstein, był właściwy, to nic dziwnego, że prędzej czy później logika rozumowania musiała być potwierdzona...
Tak, to jest wielki triumf umysłu ludzkiego. Pewne dramatyczne zjawisko zostało przewidziane i to przewidywanie całkowicie się sprawdziło. Jednocześnie był to wielki triumf inżynierii. A warto podkreślić, że chodzi o niezwykle subtelny efekt. Sam Einstein – po dokonaniu odkrycia – sądził, iż efekt jego teorii jest tak minimalny, że nie ma żadnego praktycznego znaczenia. Dam takie porównanie: względna zmiana odległości, którą mierzymy, a która jest informacją o fali grawitacyjnej, wynosi 10-21. Jest to wielkość nie do ogarnięcia przez naszą wyobraźnię. Gdybyśmy mieli miarkę w postaci pręta o rozmiarach kilku miliardów kilometrów, sięgającą stąd do krańców Układu Słonecznego, gdzieś do Plutona, to przejście fali grawitacyjnej wywołałoby na pręcie efekt tysiące razy mniejszy niż grubość cienkiej kartki papieru. A więc nadzwyczaj subtelny efekt trzeba zmierzyć na tak ogromnej odległości. Tymczasem detektory użyte w tym ostatnim doświadczeniu miały tylko cztery kilometry. Mierzyło się minimalne zmiany ramienia, w którym krążył promień lasera. A zmiany były istotnie wywołane, bo fala grawitacyjna powoduje pewne odkształcenie wszystkich ciał w przestrzeni. Wyobraźmy sobie na przykład zbiornik wody i pasek z miękkiego materiału, choćby z jedwabiu, i ten pasek przylega do powierzchni wody. Jeżeli wzbudzimy fale na wodzie, to te fale przepłyną i pasek zacznie zmieniać swój kształt. Gdy fale już przejdą, pasek wróci do poprzedniego kształtu. Wszystkie obiekty materialne, znajdujące się w przestrzeni, podlegają takim odkształceniom, skurczeniu lub wydłużeniu. Oczywiście, potwierdzenie teorii Einsteina było też – poza wszystkim – wielkim triumfem inżynierii.
Przypomnijmy, jak przeprowadzono badania, związane z tak ważnym, epokowym eksperymentem naukowym...
To odkrycie zostało dokonane przez dwa detektory amerykańskie, odległe od siebie o 3000 kilometrów. Eksperyment nosił nazwę LIGO Scientific Collaboration. Chodziło o to, żeby równocześnie podobny, niesłychanie delikatny sygnał zarejestrować przez dwa niezależne detektory. Wyobraźmy sobie dla porównania, że po nierównej drodze jedzie ciężarówka. Wywołane przez nią wstrząsy wyraźnie widać w detektorze. Ale to są wstrząsy sejsmiczne, a nie fale grawitacyjne. Na szczęście mamy bardzo wyrafinowane metody odsiewania takich zwykłych zakłóceń spodziewanego dźwięku przez detektor. Fundamentalnym elementem kontroli jest to, iżby uzyskać w obu miejscach sygnał w praktycznie identycznym, bardzo charakterystycznym kształcie – najpierw narastające, potem słabnące oscylacje. Z tego można wyciągnąć bardzo dużo informacji.
Żeby odsiać zakłócenia i mieć pewność, że mamy rzeczywiście efekt fal grawitacyjnych, musimy mieć dwa detektory. Podobny sygnał uzyskano w prawie tym samym czasie, w odstępie siedmiu tysięcznych sekundy. Tyle było potrzeba, żeby te fale przeszły z jednego detektora do drugiego. To nas upewniło, że mamy do czynienia z realnym odkryciem, co potwierdzał już sam charakter tych oscylacji. A ujmując rzecz w dużym skrócie, powiem, co się stało. Otóż w odległości miliarda trzystu milionów lat świetlnych zderzyły się dwie krążące wokół siebie czarne dziury, a my zaobserwowaliśmy ostatnich kilka okrążeń i później przywracanie nowej czarnej dziury do kształtu symetrycznego. Bo pole grawitacyjne po zderzeniu było odkształcone i wtedy emitowało zarejestrowane przez nas fale.
Rozumiem, że przy tej odległości to się wszystko zdarzyło i zderzyło daleko poza naszą galaktyką, a nawet poza naszą wyobraźnią...
Tak właśnie. Od czasów starożytnych świat nam się za sprawą nauki niesłychanie powiększył. Wspomniana emisja fal grawitacyjnych została wywołana przez czarne dziury o masach 29 oraz 36 razy większych od masy Słońca. Po zlaniu się dziur powstała masa odpowiadająca 62 masom Słońca. Widać więc, że do pełnego rachunku brakuje trzech mas Słońca. Ale jego trzy masy w ułamku, mniej więcej w ciągu jednej dziesiątej sekundy zostały zamienione w energię fal grawitacyjnych. Emisja energii w momencie tej katastrofy była dziesiątki razy większa niż to, co cały świat emitował we wszystkich możliwych długościach fal. To był więc w szerokim tego słowa rozumieniu najjaśniejsza emisja energii przez tę jedną dziesiątą sekundy. To zdarzenie zaćmiło całą resztę Wszechświata.
Czy perspektywicznie rzecz biorąc, można liczyć się z tym, że takie zderzenia będą zdarzać się stosunkowo często?
Tak, trzeba się z tym liczyć. Astrofizycy, w tym nasi koledzy z Warszawy, mówili już parę lat temu, że pierwsze fale grawitacyjne zarejestrujemy ze zjawiska, które będzie polegało na zlaniu się dwóch czarnych dziur, bo policzyli, ile jest gwiazd neutronowych, które w układach podwójnych również się zlewają. Ale emisja energetyczna jest wtedy słabsza. W związku z tym widzimy tylko te, które są dość blisko. A przy czarnych dziurach same masy mówią za siebie i zjawisko jest bardziej energetyczne, jakkolwiek rzadsze. Możemy je za to widzieć z większej odległości. Pierwsze takie zjawisko zaobserwowane to było rzeczywiście zlanie się czarnych dziur. Teraz będziemy obserwować kolejne takie zlania, no i zderzenia gwiazd neutronowych, połączone z tak zwanymi wybuchami kosmicznymi, wywołującymi fale elektromagnetyczne gamma. Jesteśmy przekonani, że duża część tych kosmicznych błysków gamma jest wynikiem zlania się dwu gwiazd neutronowych. Zjawisko jest dość podobne do zlewania się czarnych dziur i dość podobny jest też sygnał fal grawitacyjnych. Lepiej to zaobserwujemy, gdy się powiększy czułość detektorów, co nastąpi już latem tego roku. Również latem dołączy się trzeci detektor – europejski VIRGO, no i będzie on współpracować z amerykańskimi. Zresztą współpraca amerykańsko-europejska w tym zakresie trwa już od wielu lat i Europejczycy są dopuszczani do wszystkich wyników. Nawiasem mówiąc, wyniki pomiarów były wspólnie analizowane. Dlatego brali w tym udział również polscy naukowcy z kilku naszych ośrodków: z Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Warszawskiego, z Centrum AstronomicznegoPolskiej Akademii Nauk, z Instytutu Matematycznego PAN, gdzie opracowano techniki wskazujące, jak przetwarzać te obserwacje. To poważne zagadnienie algorytmiczne, którego rozwiązanie jest dużą polską zasługą.
A z jakich krajów naukowcy uczestniczyli jeszcze w eksperymencie?
Między innymi z Włoch, bo centrala europejskiego programu VIRGO i sam detektor znajdują się właśnie we Włoszech. Gdy zaczną się wspólne obserwacje z Amerykanami, czułość LIGO będzie już znacznie podwyższona. Będziemy mieli sygnały z przestrzeni o objętości 3,5 raza większej. I tyle razy wzrośnie częstość odkryć. Spodziewamy się, że niektóre wybuchy supernowych będą związane z emisją fal grawitacyjnych. I to będzie ciekawe, bo wtedy będziemy jednocześnie widzieli błysk w promieniowaniu elektromagnetycznym i neutrina, które towarzyszą części wybuchów supernowych. No i zanotujemy fale grawitacyjne. Z innych krajów uczestniczących w badaniach fal grawitacyjnych należy wymienić Niemcy, Japonię, Indie i Wielką Brytanię.
Jak pan profesor ocenia rangę ostatecznego potwierdzenia fal grawitacyjnych w skali historycznej?
Ranga tego odkrycia jest większa niż to, co oznajmiono na posiedzeniu Królewskiego Towarzystwa w 1919 roku, gdy również potwierdzono ogólną teorię względności Einsteina. Otworzyliśmy nowe okno badań Kosmosu. Tym oknem jest astronomia fal grawitacyjnych. To niezwykle obiecujące.
Co to pozwoli osiągnąć w dalszych badaniach?
Pozwoli lepiej badać wybuchy superowych, będziemy mieli dodatkowe źródło informacji. Pozwoli też wyjaśnić naturę części kosmicznych błysków gamma, a jesteśmy przekonani, że to zlewanie się gwiazd neutronowych. Ale dopiero jak zobaczymy sygnał grawitacyjny, będziemy mogli wyrazić to ilościowo, wiedząc, że zderzyły się gwiazdy o masach, które da się określić. Porównamy to z energią wyemitowaną w formie fal elektromagnetycznych, no i sporo się dowiemy o naturze zjawiska.
Zgłębiamy Kosmos coraz bardziej, opanowując po trosze tylko najbliższe nam rejony. Ale czy za naszego życia albo za życia naszych wnuków pojawią się jakieś praktyczne skutki tego przyspieszenia naukowego?
Tak szybko to chyba nie nastąpi, choć tak naprawdę, skutków tego przyspieszenia tak dokładnie nie jesteśmy w stanie przewidzieć. Niemniej, postęp technologiczny mamy przeogromny, czego świadectwem czułość owych detektorów LIGO. Jeszcze kilkanaście lat temu nie moglibyśmy nawet marzyć o czymś takim. A sto lat temu Einstein uznał, że to jest li tylko ciekawostka czysto matematyczna, niemająca praktycznego znaczenia.
I tu się mylił, a już od strony technologicznej najlepiej widać na przykładzie współczesnego sportu, że choćby dokładność pomiaru czasu do jednej tysięcznej sekundy jest w praktyce coraz częściej potrzebna...
Ano właśnie, dodam więc, że wyniki wskazywane przez detektory LIGO to jest faktycznie pomiar czasu. Mierzymy bowiem czas potrzebny światłu na przebycie rury detektora. Wyobraźmy sobie, jak subtelny musi to być pomiar, zdając sobie sprawę, jak szybko biegnie światło. To jest robione tak, że promień lasera krąży między lustrami około 500 razy, co wydłuża drogę z 4 kilometrów do 2000 kilometrów, więc już mierzymy światło niczym bieg sprintera na 500 razy dłuższym dystansie. Gdy przechodzi fala grawitacyjna, jedna rura minimalnie się wydłuża, a druga skraca.
Niebywałe, że notujemy takie efekty na przyrządach umieszczonych na naszej planecie, podczas gdy czarne dziury zlewają się w odległości ponad miliarda lat świetlnych...
A trzeba wiedzieć, że w momencie zderzenia każda z nich ma prędkość równą połowie prędkości światła.
Rozmawiamy tu o zjawiskach Wszechświata w całym tego słowa rozumieniu. Tymczasem nasze ludzkie obawy, związane ze zjawiskami kosmicznymi, koncentrują się na ogół wokół tego, czy w Ziemię uderzy wkrótce jakaś asteroida, czy nie uderzy...
Jeżeli więc mówimy o praktycznym wykorzystaniu odkryć naukowych, to można przewidywać, że i kwestia precyzyjnego obliczenia kiedy i gdzie ewentualnie uderzy asteroida będzie do rozwiązania. Jest taka anegdota o angielskim fizyku Michaelu Faradayu, który odkrył prawo indukcji. Gdy go urzędnik królewski zapytał, a jaka będzie z tego praktyczna korzyść, Faraday odpowiedział: – Tak od razu nie potrafię odpowiedzieć, ale jestem przekonany, że w przyszłości skarbnik Jego Królewskiej Mości znajdzie sposób, żeby korzyści z tego płynące opodatkować.
A jeśli chodzi o asteroidy, które mogą uderzyć w Ziemię, to jest rzadkie zjawisko, ale bardzo niebezpieczne. Mamy przecież ślady takiej katastrofy, która zniszczyła na Ziemi dinozaury. Były również inne wielkie katastrofy (tzw. wielkie wymierania), kiedy na powierzchni naszej planety ginęło ponad 90 procent żywych gatunków. A teraz dzięki coraz czulszym detektorom możemy zaobserwować nawet niewielką bryłę w Kosmosie w odległości wielu tysięcy kilometrów, co dawniej było nie do pomyślenia. Istnieje już coś takiego jak monitoring otoczenia Ziemi. Oblicza się starannie orbity ciał znajdujących się nawet jeszcze bardzo daleko w przestrzeni kosmicznej, żeby ewentualnie wpłynąć na ich bieg. Na szczęście, jak do tej pory, one omijają Ziemię. Czasem tylko o 20 000 kilometrów. Ale w nieodległej przyszłości będziemy pewnie w stanie taką nie za dużą bryłę nieco w jej pędzie przesunąć. Wystarczy dołożyć nawet niewielką siłę.
Czy nie uważa pan profesor, że wobec wielkiego postępu w rozpoznaniu Kosmosu, należałoby nasze programy szkolne zdecydowanie unowocześnić, żeby uczniowie już od pierwszej klasy mieli nie zaściankowy, nie mitomański, ale iście uniwersalny, powiedziałbym – kosmiczny pogląd na świat?
Całkowicie się z panem zgadzam. Bo obecne dokonania naukowe są czymś po prostu uwznioślającym ducha ludzkiego. A ludzkość staje wobec coraz poważniejszych wyzwań.
Dziękuję za tak interesującą rozmowę.
