Fale grawitacyjne pozwalają testować Ogólną Teorię Względności

Na podstawie najnowszych wyników badań z obserwatoriów fal grawitacyjnych LIGO/Virgo, naukowcy przeprowadzili testy Ogólnej Teorii Względności (OTW). Dziewięcioma różnymi metodami poddano weryfikacji zgodność teorii Einsteina z danymi obserwacyjnymi. Żadnych niezgodności nie stwierdzono. W badaniach brali udział polscy naukowcy z grupy Polgraw, w tym uczeni z NCBJ.

Ogólna Teoria Względności zaproponowana ponad 100 lat temu przez Alberta Einsteina jest obecnie powszechnie przyjętą teorią grawitacji. Jest ona niezwykle elegancka i koncepcyjnie w zasadzie prosta, choć obliczenia wykonywane na jej podstawie do prostych nie należą. Teoria prawidłowo opisuje poznane zjawiska astronomiczne napędzane przez grawitację, a także jest podstawą do budowy scenariuszy kosmologicznych. W miarę postępu badań i obserwacji, w miarę gromadzenia coraz większych, coraz dokładniejszych i coraz lepiej uporządkowanych zbiorów danych, obszar dostępnych nam zjawisk stale się poszerza. „W nauce żadnej teorii nie traktujemy jako dogmatu” - tłumaczy prof. Marek Biesiada z Zakładu Astrofizyki NCBJ. „Dlatego teorie poddajemy testom, stale sprawdzając ich przewidywania. Jak dotąd OTW została potwierdzona bardzo precyzyjnymi obserwacjami w Układzie Słonecznym i w układach podwójnych pulsarów. Fale grawitacyjne emitowane przez zlewające się czarne dziury dostarczają kolejnej możliwości testowania teorii względności. Jest to reżim silnie zakrzywionych czasoprzestrzeni, wcześniej słabo dostępny testowaniu.”

Są przynajmniej dwie przesłanki nakazujące nam sprawdzać, czy OTW wymaga modyfikacji lub zastąpienia nową teorią. Pierwszą z nich są problemy kosmologiczne znane jako ciemna materia i ciemna energia. Problem ciemnej materii polega na tym, że galaktyki i ich gromady przyciągają silniej niż powinny, gdyby uwzględnić całą znaną nam materię. Problem ciemnej energii to fakt, że Wszechświat przyspiesza swą ekspansję, zamiast zwalniać, jak wydaje się przewidywać OTW. Chociaż robocze nazwy ciemna materia i ciemna energia sugerują odpowiedź w postaci nieznanych składników materialnych, pozostaje możliwość, że OTW wymaga modyfikacji. Drugą przesłanką jest wynikająca z OTW konieczność występowania osobliwości, czyli obszarów, gdzie kończą się historie wszystkich cząstek i fotonów. Wydaje się, że problem ten jest związany z kwantową teorią grawitacji, której nie udało się stworzyć w zadowalającej wszystkich postaci. Tu również fale grawitacyjne emitowane przez zlewające się czarne dziury mogą dostarczyć nam wskazówek.

Współprace badawcze LIGO i Virgo opublikowały w tym tygodniu podsumowanie analiz zebranych przez nie danych pod kątem ich zgodności z przewidywaniami OTW. Analizy zebrano w 9 głównych grup stanowiących testy teorii.

Pierwszy test dotyczył zgodności rejestrowanego sygnału bazowego (szumu) ze znanym z testów laboratoryjnych szumem detektora. Z OTW wiemy jak sygnał od dwóch zwartych obiektów powinien wyglądać w detektorach fal grawitacyjnych. Jednak to, czym posługujemy się do opisu sygnału jest teorią - jak cała nauka jest pewnym przybliżeniem, najlepszym jakie mamy, opisującym świat, dopóki nie znajdziemy lepszego. Jeśli OTW nie opisywałaby dostatecznie dobrze takich sygnałów to mielibyśmy przewidywanie teoretyczne plus dodatkowy komponent, który wynika z nieuwzględnionych efektów. Aby zobaczyć, czy taki dodatkowy komponent jest obecny, trzeba było sprawdzić, czy po odjęciu przewidywanego sygnału reszta będzie miała charakterystykę normalnego szumu w detektorze. Przeprowadzony test potwierdził słuszność OTW.

Przeprowadzono też test zgodności przebiegu (kształtu) fal przed i po zlaniu się dwóch obiektów. Źródłami fal grawitacyjnych, które obserwujemy są układy: dwóch gwiazd neutronowych; dwóch czarnych dziur; układ czarna dziura – gwiazda neutronowa. Zdarzenie zlania się tych obiektów następuje w 3 głównych fazach: moment tuż przed zderzeniem, moment zlania się oraz faza stabilizacji. OTW przewiduje, że fazy sprzed zderzenia oraz po powinny generować podobne fale. Przewidywania OTW są zgodne z obserwacjami dla analizowanej próbki. Kolejne dwa testy dotyczyły zachowania się obiektów w pierwszej fazie zlewania, gdy ciała niebieskie okrążają się wzajemnie.

Wzajemne okrążanie zwartych obiektów, takich jak czarne dziury czy gwiazdy neutronowe, zbliżających się do siebie dzięki utracie energii emitowanej w postaci fal grawitacyjnych, można przybliżyć przez powolny ruch w przybliżeniu słabego pola – nazywa się to post-Newtonowskim przybliżeniem OTW. Podejście to opisane jest kilkoma parametrami, których określenie na tej podstawie można porównać z parametrami otrzymanymi przez OTW. Najnowsze obserwacje wraz z już istniejącymi, pozwalają bardzo dobrze określić ograniczenia wartości tych parametrów. Wyniki te są statystycznie spójne z przewidywaniami OTW.

Pierwsza faza, przed zlaniem się obiektów, pozwala również na sprawdzenie, czy obserwowany sygnał jest zgodny z przewidywaniami zlania się dwóch rotujących czarnych dziur (czarnych dziur Kerra). Jeśli któryś ze składników (lub oba) będzie rotował – powstały obiekt będzie spłaszczony na biegunach i poszerzony na równiku. Naukowcy są w stanie wyłuskać tę informację z danych obserwacyjnych, dzięki czemu można ustalić, że źródłem fal grawitacyjnych nie są żadne egzotyczne, nieprzewidziane przez OTW, obiekty.

Podobne podejście zastosowano do określenia parametrów zdarzenia w trakcie i po zlaniu się obiektów. Czas trwania zlewania się i stabilizacji nowego obiektu jest dużo krótszy od fazy zbliżania się, więc obserwowany sygnał jest dużo silniejszy od widocznego szumu. Oszacowane na tej podstawie parametry dają wartości statystycznie zgodne z przewidywaniami OTW.

Kolejnym jest test propagacji fal grawitacyjnych. Według przewidywań OTW fale grawitacyjne nie podlegają dyspersji, czyli prędkość ich rozchodzenia się nie zależy od ich częstotliwości. OTW można zmodyfikować w taki sposób, by własność ta nie była zachowana. W takiej sytuacji fale pochodzące bezpośrednio ze zlania się obiektów, o wyższej częstotliwości, dotarłyby do obserwatora szybciej, niż fale o mniejszej częstotliwości – pochodzące z fazy początkowej. Nie znaleziono dowodów dyspersji fal grawitacyjnych, co jest zgodne z przewidywaniami OTW.

Brak zaobserwowanej dyspersji umożliwia nam ograniczenie modeli fizyki cząstek, które zakładają, że grawitony cząstki odpowiadające za oddziaływania grawitacyjne - mają masę (tak zwany model ciężkich grawitonów). W ramach OTW grawitony powinny być bezmasowe i podróżować z prędkością światła. Modele ciężkich grawitonów przewidują jednak istnienie dyspersji w pewnym stopniu, więc obserwacje mogą dać ograniczenie na masę grawitonów. W tych badaniach określono masę grawitonów (o ile ją posiadają) na poniżej 1.3*10^-23 eV/c².

Ósmy test dotyczy polaryzacji fal grawitacyjnych. W ramach OTW fale grawitacyjne mogą mieć jedynie dwa typy polaryzacji: typu plusa lub typu X. Bardziej ogólna teoria może prowadzić do nawet sześciu unikatowych typów polaryzacji fal. Przeanalizowano dane obu detektorów LIGO oraz detektora Virgo pod kątem polaryzacji, których OTW nie uwzględnia. Testy nie wykazały możliwości istnienia innych polaryzacji niż przewidywanych przez OTW.

Istnieją alternatywne teorie względem istnienia czarnych dziur. Obiekty takie, nazywane są mimikami czarnych dziur ze względu na to, że mają podobne parametry jak czarne dziury, jednak nie są nimi w sensie OTW. Jedną z najbardziej charakterystycznych cech czarnych dziur jest horyzont zdarzeń, czyli obszar, z którego nic nie jest w stanie uciec - nawet światło. W przypadku mimików, powierzchnia taka miałaby albo częściową, albo pełną refleksyjność, co wywołałoby pewnego rodzaju echo w sygnale z trzeciej fazy zlewania się obiektów. Analizy nie wykazały istnienia tego typu ech, co jest zgodne z przewidywaniami OTW.

Stawiając się w pozycji przeciwników OTW, naukowcy przeprowadzili 9 testów, które mogłyby wykazać błędność Ogólnej Teorii Względności. Dowodów niezgodności nie znaleziono. Testy z całą pewnością będą kontynuowane, bo taka jest istota badań naukowych. Wszelkie niezgodności jakie ewentualnie wystąpią między obserwacjami, a przewidywaniami OTW, mogą w przyszłości zaowocować poznaniem nowych zjawisk.

“Nie są to wszystkie testy jakim można poddać teorię grawitacji dzięki badaniu fal grawitacyjnych” - wyjaśnia dr Adam Zadrożny z Zakładu Astrofizyki NCBJ, członek polskiej grupy badawczej Polgraw. „Bardzo ciekawym przykładem był pomiar stałej Hubble’a dla obserwacji fal grawitacyjnych GW170817 i rozbłysku optycznego AT 2017gfo, które były wynikiem tego samego zdarzenia. Zostało to opisane w czasopiśmie Nature w 2017 roku (vol. 551, p. 85–88). Pomiar stałej Hubble’a wykonany przy użyciu danych z detektorów fal grawitacyjnych był zgodny z wynikami uzyskanymi innymi metodami. Warto też dodać, że prof. Andrzej Królak (IM PAN i NCBJ) razem z prof. Bernardem F. Schutzem (Cardiff University) w pracach w latach 80-tych dali postawy wielu metodom analizy danych z detektorów interferometrycznych takich jak LIGO i Virgo.”

Polska od 2008 roku jest częścią projektu Virgo. Polscy uczestnicy projektu tworzą grupę Polgraw, której przewodzi prof. Andrzej Królak (IM PAN, NCBJ). Grupa bierze udział zarówno w badaniach naukowych konsorcjum LIGO-Virgo-KAGRA (LVK) jak i w konstrukcji detektora Virgo. Wśród badań naukowych prowadzonych przez grupę Polgraw, w ramach LVK, są między innymi analiza danych, rozwijanie metod statystycznych, modelowanie źródeł fal grawitacyjnych oraz analizy emisji fal elektromagnetycznych towarzyszących emisji fal grawitacyjnych. W skład grupy Polgraw wchodzi 12 instytucji w tym Instytut Matematyczny PAN, CAMK (Warszawa), Obserwatorium Astronomiczne UW, Uniwersytet Zielonogórski, Uniwersytet w Białymstoku, NCBJ, Uniwersytet Wrocławski, CAMK (Toruń), Obserwatorium Astronomczne UJ, AGH, ACK Cyfronet AGH, Centrum Fizyki Teoretycznej PAN. W skład konsorcjum LVK wchodzą ze strony NCBJ prof. Andrzej Królak, dr Orest Dorosh, dr Adam Zadrożny i mgr Margherita Grespan. Prace prowadzone w NCBJ dotyczą metod detekcji sygnałów pochodzących od rotujących gwiazd neutronowych, infrastruktury umożliwiającej szybką detekcję sygnałów grawitacyjnych oraz nowych metod analizy i lokalizacji sygnału opartych o sieci neuronowe.