Ile tak naprawdę wiemy o tym, co jeszcze znajduje się we Wszechświecie?
Weźmy dziwaczny przykład. Gdyby kosmici podróżowali przez naszą galaktykę z technologią napędu warp, którą często widzimy w serialach science fiction, takich jak „Star Trek” (Star Trek), jak wyglądałyby sygnały z ich mijających statków? Co zaskakujące, nasze badania pokazują, że mamy narzędzia, aby odpowiedzieć na to pytanie, niezależnie od tego, czy takie statki rzeczywiście istnieją.
Teleskopy wykorzystują światło do badania kosmosu i mogą teraz zobaczyć niemal do granic tego, co jest obserwowalne. Każda nowa częstotliwość, którą badaliśmy — od promieni gamma i rentgenowskich po podczerwień i radio — nauczyła nas czegoś nowego i nieoczekiwanego.
W 2015 roku uruchomiono nowy typ teleskopu, detektor LIGO, który nie poszukuje fal świetlnych, ale fal grawitacyjnych, które są niewidocznymi „zmarszczkami” w czasoprzestrzeni. Natura po raz kolejny zaskoczyła nas sygnałem oznaczonym GW150914 pochodzącym z pary czarnych dziur. Każda z nich ma masę około 30 razy większą od masy naszego Słońca, łącząc się w gwałtownej kolizji 1,4 miliarda lat świetlnych od Ziemi.
Od tego czasu fale grawitacyjne stały się niezbędnym nowym narzędziem dla naukowców badających i studiujących Wszechświat. Ale wciąż jesteśmy na początku naszych eksploracji. Jakie sygnały możemy zobaczyć w danych i jak zmienią one sposób, w jaki postrzegamy fizykę Kosmosu?
Istnieje jednak bardziej praktyczne pytanie, o którym często się zapomina: jeśli coś tam istnieje, jak możemy to rozpoznać?
Od science fiction do poważnej nauki
Być może widziałeś silniki warp (napędy warp) w serialach takich jak „Star Trek”. Napęd warp to hipotetyczna forma technologii, która kompresuje przestrzeń przed statkiem kosmicznym i rozszerza ją z tyłu. Chociaż nic nie może poruszać się szybciej niż prędkość światła, dzięki napędowi warp możemy ominąć to ograniczenie, skracając dystans. W ten sposób czas potrzebny na dotarcie z punktu A do punktu B jest krótszy niż czas potrzebny światłu na przebycie innej ścieżki nieskompresowanej przez napęd warp.
Przeskok od fantastyki naukowej do prawdziwej nauki dokonał się w 1994 roku, kiedy to fizyk teoretyczny Miguel Alcubierre zainspirował się do stworzenia modelu napędu warp, wykorzystującego równania ogólnej teorii względności Einsteina.
Teoria względności ogólnej przewiduje związek między krzywizną czasoprzestrzeni (grawitacją) a rozkładem materii lub energii („rzeczy”) w przestrzeni. Zazwyczaj zaczynamy od poznania „rzeczy”. Na przykład wiemy, że mamy „kroplę” materii, która reprezentuje planetę lub gwiazdę. Następnie podstawiamy tę materię do równań, aby określić, jak zakrzywia się czasoprzestrzeń. A sposób, w jaki się zakrzywia, mówi nam, jaką grawitację zmierzylibyśmy wokół obiektu.
Można powiedzieć, że to jest dokładnie to, co robi obraz klasycznej grawitacji Izaaka Newtona — przedstawia związek między masą obiektu a siłą grawitacyjną, którą on wywiera. I miałbyś rację. Ale koncepcja krzywizny czasoprzestrzeni daje początek o wiele bogatszemu zakresowi zjawisk niż prosta siła. Umożliwia ona rodzaj odpychającej grawitacji, która powoduje rozszerzanie się naszego wszechświata, tworzy dylatację czasu wokół masywnych obiektów i fale grawitacyjne w czasoprzestrzeni, a — przynajmniej w teorii — umożliwia napędy warp.
Alcubierre podszedł do swojego problemu z przeciwnej strony niż zwykle. Wiedział, jakiego rodzaju krzywizny czasoprzestrzeni chciał. Był to rodzaj, w którym obiekt mógłby surfować po regionie zakrzywionej czasoprzestrzeni. Więc pracował wstecz, aby określić rodzaj konfiguracji materii, która byłaby potrzebna do jej stworzenia. Nie było to naturalne rozwiązanie równań, ale coś „zrobionego na zamówienie”. Ale to, co otrzymał, nie było tym, o co by poprosił. Odkrył, że potrzebuje egzotycznej materii, czegoś o ujemnej gęstości energii, aby zakrzywić przestrzeń w odpowiedni sposób.
Rozwiązania materii egzotycznej są na ogół traktowane przez fizyków ze sceptycyzmem, i słusznie. Chociaż matematycznie możliwe jest opisanie materiałów za pomocą energii ujemnych, prawie wszystko, co wiemy, wydaje się mieć energię dodatnią. Jednak w fizyce kwantowej obserwujemy, że mogą wystąpić niewielkie i tymczasowe naruszenia dodatniości energii, a zatem „brak energii ujemnej” nie może być prawem absolutnym i fundamentalnym.
Od napędów warp do fal
Biorąc pod uwagę model Alcubierre’a dotyczący czasoprzestrzeni napędu warp, możemy zacząć odpowiadać na nasze pierwotne pytanie: jak wyglądałby sygnał pochodzący z tego napędu?
Jednym z kamieni węgielnych współczesnych obserwacji fal grawitacyjnych i jednym z ich największych osiągnięć jest możliwość dokładnego przewidywania form fal na podstawie scenariuszy fizycznych za pomocą narzędzia zwanego „numeryczną teorią względności”.
To narzędzie jest ważne z dwóch powodów. Po pierwsze, dane, które otrzymujemy z detektorów, są nadal bardzo „zakłócone”, co oznacza, że często musimy wiedzieć, jak mniej więcej wygląda sygnał, aby wyodrębnić go ze strumienia danych. Po drugie, nawet jeśli sygnał jest wystarczająco silny, aby wyróżniać się ponad szumem, nadal potrzebujemy modelu, aby go zinterpretować. Oznacza to, że musimy mieć zmodelowane wiele różnych typów zdarzeń, zanim będziemy mogli dopasować sygnał do jego typu; w przeciwnym razie moglibyśmy być skłonni odrzucić go jako szum lub błędnie oznaczyć jako połączenie czarnych dziur.
Jednym z problemów z czasoprzestrzenią napędu warp jest to, że nie emituje ona naturalnie fal grawitacyjnych, chyba że zostanie uruchomiona lub zatrzymana. Naszym pomysłem było zbadanie, co się stanie, gdy napęd warp zostanie zatrzymany, zwłaszcza jeśli coś pójdzie nie tak. Załóżmy, że pole ograniczające napęd warp zapadnie się (podstawowy element science fiction); przypuszczalnie nastąpi wybuchowe uwolnienie zarówno egzotycznej materii, jak i fal grawitacyjnych. To jest coś, co możemy, i co już symulowaliśmy, za pomocą numerycznej teorii względności.
Odkryliśmy, że zapadnięcie się bańki napędu warp jest rzeczywiście niezwykle gwałtownym wydarzeniem. Ogromna ilość energii potrzebna do zakrzywienia czasoprzestrzeni jest uwalniana jako fale grawitacyjne oraz fale dodatniej i ujemnej energii materii. Niestety, jest bardzo prawdopodobne, że będzie to koniec drogi dla załogi statku, która zostanie rozdarta przez siły pływowe.
Szybkość nadświetlna, Scotty!
Wiedzieliśmy, że zostanie wyemitowany sygnał fali grawitacyjnej; każdy nieuporządkowany ruch materii tworzy taką falę. Nie mogliśmy jednak przewidzieć amplitudy i częstotliwości ani tego, jak będą one zależeć od rozmiaru zdeformowanego obszaru.
Byliśmy zaskoczeni, gdy odkryliśmy, że dla statku kosmicznego o rozmiarze 1 km amplituda sygnału byłaby znacząca dla każdego takiego zdarzenia w naszej galaktyce, a nawet poza nią. W odległości 1 megaparseka (3,26 miliona lat świetlnych, nieco dalej niż Galaktyka Andromedy) sygnał jest podobny do czułości naszego obecnego detektora fal grawitacyjnych. Częstotliwość fal jest jednak około tysiąc razy wyższa niż zakres, który obserwujemy za jego pomocą.
Powinniśmy być szczerzy i powiedzieć, że nie możemy powiedzieć, że nasz sygnał jest definitywnym znakiem napędu warp. Musieliśmy dokonać pewnych konkretnych wyborów w naszym modelu. A nasi hipotetyczni kosmici mogli dokonać innych wyborów. Ale jako dowód zasady pokazuje to, że przypadki wykraczające poza standardowe zdarzenia astrofizyczne mogą być modelowane i mogą mieć odrębne kształty i formy, których możemy szukać w przyszłych detektorach.
Nasza praca przypomina nam również, że w porównaniu do badania fal świetlnych, wciąż jesteśmy na etapie Galileusza, tworząc obrazy Wszechświata w wąskim zakresie częstotliwości światła widzialnego. Nadal mamy do zbadania całe spektrum częstotliwości fal grawitacyjnych, które będą wrażliwe na szereg zjawisk zachodzących w czasoprzestrzeni.
Katy Clough otrzymuje dofinansowanie od STFC
Tim Dietrich jest związany z Instytutem Fizyki Grawitacyjnej im. Maxa Plancka.
Sebastian Khan nie jest konsultantem, nie pracuje, nie posiada udziałów ani nie otrzymuje funduszy od żadnej firmy ani organizacji, która mogłaby odnieść korzyści z publikacji tego artykułu. Nie ujawnił również żadnych powiązań wykraczających poza jego stanowisko akademickie.
