Fale grawitacyjne udało się zarejestrować 14 września 2015 r. Ogłoszono to światu 11 lutego 2016 roku. Przełomowej detekcji dokonał amerykański interferometr o nazwie LIGO, a udział miał też europejski odpowiednik Virgo. Chociaż ten drugi fal nie zarejestrował, było to istotne przy interpretacji danych.

Czym są fale grawitacyjne? Ich historia sięga Alberta Einsteina, który w 1916 roku przedstawił Ogólną Teorię Względności. Jego teoria przestawia siły grawitacyjne jako efekt zakrzywienia czasoprzestrzeni, które jest wywołane przez masę. Z obliczeń wynikało, iż niektóre zjawiska mogą wywoływać pewnego rodzaju zaburzenia („zmarszczki”) w czasoprzestrzeni i te zaburzenia przemieszczają się z prędkością światła. Tymi zaburzeniami są fale grawitacyjne.

Jednak przez dziesiątki lat fale grawitacyjne pozostawały jedynie teoretyczną hipotezą, a ludzkość nie dysponowała środkami technicznymi umożliwiającymi jej sprawdzenie. Rozwój techniki powodował, że możliwość sprawdzenia tego zaczęła rysować się na horyzoncie.

Przydatne do tego celu okazały się obserwacje kosmosu. W 1974 roku Joseph Tylor i Russel Hulse zbadali okrążające się pulsary PSR 1913-16, uzyskując pośredni dowód na istnienie fal grawitacyjnych. Dostali za to Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1993 roku.

To jednak ciągle nie była bezpośrednia detekcja fal grawitacyjnych. W 1992 roku naukowcy z amerykańskich uczelni Massachusetts Institute of Technology (MIT) oraz California Institute of Technology (Caltech) postanowili zbudować detektor fal grawitacyjnych. W ten sposób w 2000 roku powstało obserwatorium o nazwie Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory, w skrócie LIGO. LIGO posiada dwa detektory, jeden w Livingston, a drugi w Hanford.

Detektory LIGO to instrumenty działające na zasadzie interferometru Michelsona. Instrumenty te składają się z dwóch rur o długości 4 km, przecinających się pod kątem prostym. W miejscu łączenia rur znajduje się rozdzielacz światła. W trakcie eksperymentu włączony jest laser, jego wiązka rozdzielana jest do obu rur i dociera do zwierciadeł na ich końcach. Promienie są wielokrotnie odbijane tam i z powrotem i na koniec trafiają do fotodetektora. Na podstawie zjawiska interferencji oblicza się różnicę w długości dróg przebytej przez wiązki w obu rurach. Jeżeli w czasie pomiaru do detektora dotrze fala grawitacyjna, długość ramiom ulenie mikroskopijnej zmianie, przez co wiązki lasera nie dotrą jednocześnie do fotodetektora. Całość trzeba bardzo dobrze odizolować od wszelkich możliwych zakłóceń (np. drgań sejsmicznych), gdyż potencjalna zmiana w wyniku przejścia fali grawitacyjnej jest niezwykle mała. Z tego też powodu m.in. wybudowano dwa detektory, aby łatwiej odróżniać zakłócenia pochodzenia ziemskiego od potencjalnego sygnału fal grawitacyjnych z kosmosu.

Koncepcja bezpośredniej detekcji fal grawitacyjnych była rozważana też wśród innych naukowców, na przykład w Europie powstał detektor Virgo, umiejscowiony we Włoszech niedaleko Pizy. Projekt został zaaprobowany w 1992 roku przez francuskie Narodowe Centrum Badań Naukowych (CNRS), a potem przez włoski Narodowy Instytut Fizyki Jądrowej (INFN). Prace konstrukcyjne zaczęły się w 1996 roku, a ukończono je w 2003 roku.

14 września 2015 roku nastąpił historyczny moment, gdyż zarejestrowano sygnał nazwany potem GW150914. Była to pierwsza detekcja fal grawitacyjnych. Sygnał pochodził od zderzenia dwóch czarnych dziur, które zaszło 1,4 miliarda lat temu, i teraz fale grawitacyjne dotarły do nas. Czarne dziury miały masy 29 i 36 mas Słońca, a w wyniku zderzenia powstała czarna dziura o masie 62 mas Słońca. Brakująca masa została przekształcona w fale grawitacyjne. Sygnał trwał około 0,2 sekundy. Poza dowodem, że fale grawitacyjne faktycznie istnieją, był to przy okazji dowód, iż we współczesnym Wszechświecie zachodzą zderzenia czarnych dziur.

Poza samą pierwszą detekcją w 2015 roku, drugim przełomowym momentem dla badań fal grawitacyjnych było zaobserwowanie błysku kilonowej 17 sierpnia 2017 roku (GW170817). Kilonowa to efekt zderzenia dwóch gwiazd neutronowych, towarzyszy temu m.in. emisja fal grawitacyjnych. Około dwie sekundy po detekcji fal grawitacyjnych, kosmiczne obserwatoria Fermi i INTEGRAL (pierwsze należące do NASA, a drugie - do Europejskiej Agencji Kosmicznej) odnotowały krótki rozbłysk gamma ze wskazanego obszaru nieba. Wkrótce obserwacje rozpoczęły inne teleskopy, łącznie ponad 70 teleskopów naziemnych i kosmicznych, pracujących w różnych zakresach długości fal elektromagnetycznych. Udało się ustalić, iż zaobserwowane zjawisko zaszło w galaktyce NGC 4993, odległej od nas o 130 milionów lat świetlnych. Naukowcy mieli więc zarówno obserwacje fal grawitacyjnych, jak i fal elektromagnetycznych od tego samego zjawiska. Był to dowód przekonujący tych, którzy pozostawali sceptyczni po ogłoszeniu detekcji z 2015 roku.

3 października 2017 roku naukowcom zaangażowanym w obserwacyjne potwierdzenie istnienia fal grawitacyjnych przyznano Nagrodę Nobla. Otrzymali ją Rainer Weiss, Barry C. Barish oraz Kip S. Thorne "za przełomowy wkład w detektor LIGO i obserwacje fal grawitacyjnych".

Kolejnym istotnym odkryciem było wykrycie w 2023 roku tła fal grawitacyjnych. Jego częstotliwości są na falach poza zasięgiem detektorów fal grawitacyjnych, ale z pomocą przyszły radioteleskopy. W ramach eksperymentu NANOGrav (oraz kilku innych) przez kilkanaście lat obserwowano subtelne zmiany w sygnałach docierających do nas od pulsarów. Wydaje się, że taki szum – tło fal grawitacyjnych – wykryty we wspominany sposób, powstaje w szczególności w parach supermasywnych czarnych dziur, łączących się w centrach galaktyk. Pewna część tego szumu może pochodzić nawet z okresu krótko po Wielkim Wybuchu.

Detektory fal grawitacyjnych przechodzą modernizacje, aby zwiększyć ich czułość. Wspólnych sesji obserwacyjnych było już kilka i obecnie zarejestrowanych jest już około 300 detekcji źródeł fal grawitacyjnych (stan na lipiec 2025 r.). Runda obserwacyjna O1 trwała 3 miesiące w latach 2015-2016 i jej efektem były trzy detekcje. Runda O2 trwała 9 miesięcy w latach 2016-2017 i dała 8 detekcji. Z kolei runda O3 w latach 2019-2020 trwała przez 11 miesięcy i poznaliśmy dzięki niej 79 nowych detekcji.

Od tamtej pory powstał także japoński detektor Kamioka Gravitational Wave Detector (KAGRA), jego projekt zaakceptowano w 2010 roku, zaczął działanie w 2020 roku i brał udział w trzeciej rundzie obserwacyjnej wspólnie z LIGO i Virgo.

Aktualnie trwa czwarta wspólna runda obserwacyjna detektorów LIGO, Virgo i KAGRA. Rozpoczęła się 24 maja 2023 roku, a zakończy 18 listopada 2025 roku. Przy czym detektor KAGRA wypadł z obserwacji na pewien czas z powodu uszkodzeń spowodowanych przez trzęsienia ziemi 1 stycznia 2024 roku, ale powrócił 11 czerwca 2025 roku. Do tej pory w ramach rundy O4 wykryto ponad 200 detekcji. Potem po przerwie, w 2027 roku rozpocznie się runda piąta (O5), która potrwa kilka lat.

Zdecydowana większość detekcji dotyczy sygnałów od zderzających się czarnych dziur. Wykryto jednak także dwa lub trzy zderzenia gwiazd neutronowych, pięć lub sześć zderzeń gwiazdy neutronowej z czarną dziurą. Udało się też uzyskać trzy lub cztery detekcje wskazujące na obiekty z tzw. przerwy masowej (od 2 do 5 mas Słońca) pomiędzy gwiazdami neutronowymi, a czarnymi dziurami. Nie wiadomo, czy to są bardzo masywne gwiazdy neutronowe, czy czarne dziury o bardzo małych masach.

Znaczny wzrost liczby detekcji wynika z modernizacji detektorów i wzrostu ich czułości. O ile w rundzie O1 detektor LIGO miał zasięg do 260 milionów lat świetlnych, to w rundzie 04 już około 550 milionów lat świetlnych. W przypadku O1 w zasięgu były trzy lub cztery supergromady galaktyk, a obecnie w O4 jest to już kilkanaście supergromad galaktyk. Wartości te dotyczą detekcji sygnałów od zderzeń z gwiazdami neutronowymi, natomiast w przypadku zderzeń czarnych dziur detektory potrafią sięgać dalej, gdyż takie zdarzenia generują znacznie silniejsze sygnały.

Polska ma swój udział w odkryciach i badaniach fal grawitacyjnych. W międzynarodowych badaniach reprezentuje nas zespół nazwany Virgo-Polgraw, skupiający naukowców z kilkunastu krajowych instytucji.

W euforii po odkryciu mówiono o przełomie w badaniach, o powstaniu „astronomii wieloaspektowej”. Niewątpliwie astronomowie uzyskali dzięki falom grawitacyjnym nowe narzędzie do badania Wszechświata, inne niż obserwacje fal elektromagnetycznych i nieczułe na pewne ograniczenia, które przeszkadzają falom elektromagnetycznym (np. światłu) w przemieszczaniu się w kosmosie (np. absorpcja czy rozpraszanie przez obłoki materii międzygwiazdowej).

Czy fale grawitacyjne będą kiedyś wykorzystywane w praktyce? Raczej nikt nie umie obecnie odpowiedzieć na to pytanie. Ale można wskazać, iż niektóre inne przewidywania teorii względności są w praktyce wykorzystywane we współczesnych technologiach, z których np. GPS nie działałby bez uwzględnienia efektów opisywanych przez teorię względności.

Krzysztof Czart (PAP)

cza/ zan/