"Nie ma żadnej wątpliwości, że to jest wyjątkowe odkrycie" - tak profesor Michał Ostrowski z Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Jagiellońskiego komentuje w rozmowie z RMF FM tegoroczną nagrodę Nobla z Fizyki. Komitet Noblowski wyróżnił Rainera Weissa, Barry'ego C. Barisha oraz Kipa S. Thorne'a za decydujący wkład w budowę detektora LIGO i obserwacje fal grawitacyjnych. Prof. Ostrowski, który współpracuje z programem VIRGO, prowadzącym wspólne z LIGO badania, jest przekonany, że odkrycie otwiera zupełnie nowy rozdział w badaniach tajemnic Wszechświata.

Jedno z dwóch laboratoriów LIGO /Caltech/MIT/LIGO Lab /
W rozmowie z Grzegorzem Jasińskim, prof. Ostrowski przewiduje, że dzięki detekcji fal grawitacyjnych będziemy w stanie lepiej zrozumieć między innymi zdarzenia związane ze zlewaniem się czarnych dziur, dokładniej poznamy ewolucję galaktyk, w których takie czarne dziury muszą powstawać, będziemy też mieli prawdopodobnie szansę "spojrzenia" na dużo wcześniejsze, niż dotąd badane etapy ewolucji Wszechświata.

Posłuchaj rozmowy Grzegorza Jasińskiego z prof. Michałem Ostrowskim, cz. I

Grzegorz Jasiński: Panie profesorze, to jest właściwie drugi przypadek w ostatnich latach, kiedy głośne wielkie odkrycie zostaje nagrodzone Noblem praktycznie natychmiast. Pierwszy przypadek to było odkrycie bozonu Higgsa, teraz mamy fale grawitacyjne. Czy to dlatego, że to było tak wyczekiwane odkrycie, tak trudne, czy tak gigantyczne jest jego znaczenie?

Prof. Michał Ostrowski, Obserwatorium Astronomiczne UJ: Myślę, że wszystkie te wątki, wszystkie te powody są ważne. Z jednej strony to odkrycie, na które czekaliśmy od dawna. Albert Einstein bodajże w 1916 roku zaproponował, że fale grawitacyjne powinny istnieć. O ile pamiętam, już w latach 50. zaczęto myśleć o ich detekcji. W latach 70. już były pierwsze eksperymenty. To jest proces, który trwa bardzo długo, szereg razy robiono nowe generacje detektorów, za każdym razem wynikiem było zero. Nie udawało się zmierzyć efektów, które fizycy próbowali zmierzyć. Teraz w końcu przekroczono barierę, nagle detektory zrobiły się tak czułe, że mogą dokonać tego pomiaru. Tutaj nie ma żadnej wątpliwości, że to jest wyjątkowe odkrycie - na ile potrafię ocenić - w pełni potwierdzone.

Czego się w związku z tym odkryciem możemy teraz spodziewać? Mówi się, że otwiera nam okno na Wszechświat, umożliwia próby badania go zupełnie nowym sposobem. Do tej pory były fale elektromagnetyczne, były cząstki promieniowania kosmicznego, teraz mamy możliwość badania fal grawitacyjnych. Co nam to pokaże?

To faktycznie jest całkiem nowe okno obserwacyjne, a równocześnie to jest wejście w nową dziedzinę pomiarów, która wcześniej była prawie niemożliwa. Fale grawitacyjne bardzo słabo oddziałują z materią, w związku z tym jeżeli już gdzieś powstaną i to tak mocne, żebyśmy mogli je na Ziemi zarejestrować, to docierają do nas praktycznie bez pochłaniania w ośrodku galaktycznym, czy międzygalaktycznym, w otoczeniu obiektów, które powstają. Pył, czy gaz nie stanowią dla nich zapory. W związku z tym mogą nam przynosić informacje o zjawiskach, które np. dla fal elektromagnetycznych będą zasłonięte. Poza tym fale grawitacyjne mówią nam np. o tym, co się dzieje między z dwiema zlewającymi się czarnymi dziurami, w przypadku których bardzo możliwe, że fale elektromagnetyczne prawie nie powstają, albo powstaje ich bardzo niewiele. One mogą powstawać tylko z materii, która jest na zewnątrz całego zjawiska i tylko pośrednio odbiera to, co się dzieje w środku. W związku z tym pomiary fal grawitacyjnych pozwalają nam na testowanie teorii grawitacji. Nasze obecne obserwacje stały się odkryciami dzięki temu, że kształt pomiarów w detektorze dobrze pasował do obliczeń, które wykonano dla zjawisk, o których spodziewaliśmy się, że mogą fale grawitacyjne generować. Przez to detekcja takich zjawisk, w oparciu o takie rachunki, potwierdza nam ważność teorii, które stosujemy. Teoria grawitacji, ogólna teoria względności jest teorią, którą w Układzie Słonecznym możemy testować tylko w bardzo drobnym przybliżeniu, dalekim od bardzo silnych pól w pobliżu czarnych dziur. W przypadku obecnie odbieranych fal grawitacyjnych zaglądamy wprost w najbliższe otoczenie, w strukturę zlewających się czarnych dziur. To jest nowe okno obserwacyjne na Wszechświat, nowe narzędzie do badania najsłabiej chyba do tej pory zbadanej teorii, właśnie teorii grawitacji.

To jest nagroda przyznana za pracę doświadczalną, ale oczywiście będąca też podsumowaniem, podkreśleniem triumfu teorii. Fale grawitacyjne zostały przewidziane przez Einsteina, który nie do końca wierzył, że kiedykolwiek będzie można je zobaczyć, odebrać. Dopiero jednak wysiłek, fizyków, inżynierów, doprowadził do tego, że taka obserwacja była możliwa. Czy to jest taki swoisty "rekord świata" jeśli chodzi o sztukę prowadzenia pomiarów?

Może trudno jest powiedzieć, czy to jest rekord świata. Nie wiadomo dokładnie w jaki sposób moglibyśmy to mierzyć Ale osiągnięcie jest wielkie. Musimy pamiętać, że techniki pomiarowe doprowadzono do niesłychanych możliwości. Widziałem takie porównanie, że gdyby rozmiar detektora fal grawitacyjnych był taki, jak od Ziemi do najbliższej gwiazdy, to drgania jakie się mierzy miałyby grubość włosa ludzkiego. To są niewyobrażalne wielkości i fakt, że potrafimy coś takiego mierzyć mnie bardzo zadziwia. W tym odkryciu zawarta jest praca nie tylko zespołu LIGO, ale dziesiątków, setek badaczy, eksperymentatorów i teoretyków, którzy pracowali nad zagadnieniem fal grawitacyjnych przez kilkadziesiąt ostatnich lat. Akurat mój pierwszy wyjazd zagraniczny był na szkołę fal grawitacyjnych do Erice we Włoszech. To było w 1976 roku, kiedy już myślano o odkrywaniu tych fal. W pewien sposób LIGO w tych kolejnych krokach osiągnęło najwięcej i najszybciej. Ludzie, którzy kierują tym projektem i byli zasłużeni dla tego, by ten projekt zakończył się sukcesem, dostali teraz nagrodę.

Co ciekawe, dostali ją właściwie kilka tygodni po tym, jak zaobserwowano fale grawitacyjne po raz pierwszy przy pomocy kolejnego urządzenia, obserwatorium VIRGO, zbudowanego w Europie. Te programy współpracują ze sobą, ale oczywiście w przypadku tej nagrody Nobla te najnowsze obserwacje nie mogły być jeszcze brane pod uwagę. To nowe obserwatorium daje zupełnie nowe możliwości ze względu choćby na to, jak jest ustawione względem tych obserwatoriów amerykańskich. Na co pozwoli nam badanie fal grawitacyjnych z pomocą wszystkich trzech obserwatoriów?

Dołączenie projektu VIRGO, którego jestem członkiem, razem z kolegami z Krakowa, powoduje, że mamy trzy detektory, które patrzą na jedno zjawisko. Dzięki temu można w miarę precyzyjnie wyznaczyć miejsce skąd przychodzi fala. To daje szanse astronomom, by w to miejsce na niebie popatrzeć i spróbować zobaczyć, czy widać coś oprócz fal grawitacyjnych. Jeśli to byłyby zlewające się gwiazdy neutronowe, to należałoby się spodziewać, że będą może rozbłyski gamma, świecenie w innych długościach fal, że to zjawisko będzie mogło być badane w wielu rozmaitych falach i będziemy mogli lepiej to wszystko zrozumieć. Fakt, że teraz są trzy detektory jest dla prowadzonych badań bardzo istotny. Spodziewam się, że w najbliższym czasie pewnie takie obserwacje w innych zakresach też się pojawią.

Posłuchaj rozmowy Grzegorza Jasińskiego z prof. Michałem Ostrowskim, cz. II

Do tej pory usłyszeliśmy o czterech obserwacjach fal grawitacyjnych, w tym jednej z pomocą VIRGO. Od pierwszej minęły dwa lata, cztery obserwacje to dużo, mało? Wydaje się, że to jednak jest rzadkie zjawisko.

Te zjawiska, które zostały zarejestrowane, to zjawiska najbardziej potężne, stosunkowo łatwo było je wyłowić z istniejących zapisów detektorów. Trzeba tez pamiętać, że w tych ostatnich latach detektory nie pracowały cały czas. LIGO pracował przez kilka miesięcy, potem w dalszym ciągu go regulowano, poprawiano. W tej chwili ta sesja obserwacyjna z VIRGO jest kolejna i nawet nie pamiętam, jak długo ma trwać. Oczywiście, z jednej strony to może nie jest bardzo dużo, ale z drugiej strony to nieskończenie więcej, niż to, co było wcześniej. Natomiast fakt, że potrafiliśmy kilka takich zjawisk zaobserwować oznacza, że będziemy pewnie ich obserwować przynajmniej kilkanaście, czy więcej, w ciągu roku. Jeśli te obserwatoria będą pracowały z pełną mocą i ewentualnie dołączą się obserwatoria, o których budowie myśli się w Japonii i Indiach.

W przypadku fal grawitacyjnych mieliśmy pewnego rodzaju falstart. Kilkanaście miesięcy wcześniej program BICEP2, obserwatorium na biegunie, ogłosiło odkrycie śladów fal grawitacyjnych. Czy ta wpadka miała znaczenie, zmobilizowała program LIGO do działania, czy skłoniła do ostrożności przy publikacji tych danych?

Myślę, że te wcześniejsze doniesienia, które dotyczyły całkiem innego zakresu i całkiem innego charakteru fal grawitacyjnych, nie grały w obecnych pracach LIGI i VIRGO efektywnie żadnej roli. Tamte pomiary były wątpliwe już w momencie ogłoszenia i myślę, że badacze, którzy je ogłosili powinni się trochę wstydzić swojego pośpiechu.

Wspomniał pan o udziale polskich naukowców w tym programie. Mówię o naukowcach, bo to nie tylko astronomowie. Jaki jest polski wkład w ten program?

Polska ma duży udział w projekcie VIRGO, ale ponieważ VIRGO pracuje razem z LIGO te prace w pewien sposób mają globalny zasięg. Tu trzeba byłoby wymienić przede wszystkim prof. Andrzeja Królaka i grupę warszawską, która zbudowała polski zespół do badania fal grawitacyjnych, konsorcjum POLGRAW. Myśmy mieli tę przyjemność, to szczęście dołączyć do tego zespołu dwa lata temu, kiedy zaczęły działać detektory LIGO. Okazało się, że taki projekt, który rozwijamy w Obserwatorium Astronomicznym, badania fal elektromagnetycznych bardzo niskich częstości, może być ważny także dla detekcji fal grawitacyjnych. Po prostu przy tak dokładnych pomiarach detektorów grawitacyjnych fale elektromagnetyczne mogłyby - być może - zaburzać ich wskazania, imitując pojawianie się fal grawitacyjnych. Sam zespół LIGO się z nami skontaktował, prosząc nas o dane. My mamy taki światowy system detektorów niskiej częstości, jeden z nich mniej więcej w połowie drogi miedzy detektorami LIGO w USA. Tym całym programem kieruje doc. Andrzej Kułak z AGH w Krakowie. Działamy razem, Obserwatorium Astronomiczne UJ i AGH.

To na koniec zapytam o prognozy. Wspomniał pan, że przy pełnej pracy detektorów to może być kilkanaście obserwacji rocznie. Jaką wiedzę będzie można dzięki nim zdobyć? Już te pierwsze rzuciły nowe światło na zderzenia czarnych dziur...

Jak się otwiera nową dziedzinę badań to czasem nie do końca można powiedzieć, co zostanie odkryte. Często - na szczęście - mamy też niespodzianki. Natomiast na pewno wiemy, że choćby dlatego, że obserwujemy szereg zdarzeń związanych ze zlewaniem czarnych dziur, czy pewnie wkrótce gwiazd neutronowych, będziemy mogli częściej badać te zjawiska ekstremalnie energetyczne. Będziemy lepiej rozumieli ewolucję galaktyk, w których takie czarne dziury muszą powstawać i do tego w układach podwójnych. Spodziewamy się też, tylko może w innych zakresach częstości, możliwości dotarcia do wczesnych etapów ewolucji Wszechświata, ze względu na to, że fale grawitacyjne mogły się propagować od dużo wcześniejszych momentów w rozszerzającym się Wszechświecie, niż promieniowanie elektromagnetyczne, które gdy Wszechświat był gęsty było pochłaniane. Nie wiem, czy można planować, że to może mieć bezpośredni związek, ale cały czas stoi przed nami problem tego, że nie potrafimy opisać grawitacji jako zjawiska kwantowego. Jeżeli można ją tak opisać, to być może takie pomiary silnych pól mogą pomóc w zrozumieniu tego. Ale tutaj nie jestem pewien, na ile one tylko będą polepszać znajomość, czy zrozumienie ogólnej teorii względności, będą ją potwierdzać. Gdyby ją ewentualnie sfalsyfikowały to by było szalenie ważne. Na razie wszystkie kolejne pomiary czynią ogólną teorie względności Einsteina, coraz ważniejszą. Ona się zgadza.