Informacje prasowe

Teleskop Einsteina rozpoczyna nową erę w astronomii

To wciąż tylko plan, ale nowy teleskop może wkrótce mierzyć fale grawitacyjne. Fale grawitacyjne są czymś w rodzaju fal dźwiękowych wszechświata. Powstają na przykład podczas zderzenia czarnych dziur lub gwiazd neutronowych. Przyszły detektor fal grawitacyjnych, Teleskop Einsteina, będzie wykorzystywał najnowszą technologię laserową, aby lepiej zrozumieć te fale, a tym samym nasz Wszechświat. Jedną z możliwych lokalizacji budowy tego teleskopu jest trójkąt graniczny Niemiec, Belgii i Holandii.

Jak wszechświat tworzy złoto

Lato 2017 było niezwykle ekscytującym dniem dla astronomów: 17 sierpnia trzy detektory fal grawitacyjnych zarejestrowały nowy sygnał. Setki teleskopów na całym świecie natychmiast skierowano na podejrzany punkt pochodzenia i rzeczywiście zaobserwowano tam świecące ciało niebieskie. Po raz pierwszy wykryto zderzenie dwóch gwiazd neutronowych zarówno optycznie, jak i jako fala grawitacyjna.

Gwiazdy neutronowe są czymś wyjątkowym we wszechświecie: to wypalone gwiazdy, które nie emitują już żadnego promieniowania widzialnego. Ważą nieco więcej niż nasze Słońce, ale ściskają swoją masę w kulę o średnicy mniejszej niż 20 km. Siła ich zderzenia jest tak wielka, że jądra atomowe zostają rozerwane, wyrzucone gigantyczne ilości masy i mogą powstać ciężkie atomy, takie jak złoto.

„W porównaniu z masą gwiazd neutronowych powstaje niewiele złota – zaledwie kilka mas księżycowych” – wyjaśnia z uśmiechem profesor Achim Stahl, astrofizyk z RWTH Aachen University. „Ale badacze są całkiem pewni, że większość złota we wszechświecie powstała w wyniku tak gigantycznych eksplozji”. Dlatego złoty pierścionek, który nosimy na palcu, przeszedł już historię galaktyczną.

Detektory fal grawitacyjnych otwierają nowy rozdział w astronomii

Dzięki detektorom fal grawitacyjnych wiemy już więcej o zderzeniach gwiazd neutronowych. Jak na standardy galaktyczne, są to bardzo szybkie procesy. W przeszłości, jeśli mieliśmy dużo szczęścia, mogliśmy rejestrować rozbłyski gamma trwające krócej niż sekundę. Kiedy czarne dziury się zderzają, sygnał, który można zmierzyć za pomocą obecnych detektorów fal grawitacyjnych, jest bardzo krótki. Sygnał pierwszej fali grawitacyjnej zmierzony w 2015 roku miał nieco ponad 0,2 sekundy. Takie fale powstają, gdy ultraciężkie obiekty krążą wokół siebie we wszechświecie, a następnie zderzają się.

Sygnał wykryty latem 2017 roku trwał 100 sekund, więc od razu było jasne, że to musi być coś nowego. Krótko po ustaniu sygnału grawitacyjnego zarejestrowano rozbłysk gamma; później zaobserwowano poświatę po eksplozji w różnych zakresach długości fal i wykryto ślady ciężkich pierwiastków, takich jak złoto i platyna. Zdarzenie zostało zidentyfikowane jako zderzenie dwóch gwiazd neutronowych. Jednoczesna obserwacja fal grawitacyjnych i sygnałów elektromagnetycznych otworzyła nowy rozdział w astronomii obserwacyjnej. „W rzeczywistości sygnał optyczny zadecydował o znalezieniu gwiazdy na niebie” – wyjaśnia astrofizyk Stahl.

Teleskop Einsteina budowany jest około 250 metrów pod ziemią. Dzięki interferometrom w trzech tunelach, każdy o długości dziesięciu kilometrów, będzie mierzyć zderzenia czarnych dziur we wczesnym wszechświecie. © NIKHEF.

Nasze „uszy” do wszechświata

Przez stulecia astronomia ograniczała się do obserwacji promieniowania widzialnego. Dzięki lepszemu zrozumieniu widma elektromagnetycznego astronomowie dodali wiele nowych metod obserwacji, wykryli fale radiowe i znacznie poszerzyli wiedzę ludzkości poprzez obliczenia i symulacje.

Kiedy Albert Einstein postulował swoją ogólną teorię względności dobre sto lat temu, wpadł także na pomysł, że mogą istnieć fale, które nie mają nic wspólnego ze widmem elektromagnetycznym. Podobnie jak fala dźwiękowa, miały one powodować, że badany egzemplarz z dużej odległości lekko się „kołysał”. Duże przyspieszone masy powinny wysyłać takie fale w przestrzeń. Na Ziemi jednak wahania wywołane falami grawitacyjnymi są tak słabe, że ruch jest znacznie mniejszy niż średnica atomu. Niemniej jednak obecnie możliwe stało się mierzenie fal grawitacyjnych. To nowa era dla astronomów.

Jest to możliwe dzięki tak zwanym interferometrom laserowym. Składają się z dwóch ramion zakończonych lusterkami. Wiązka laserowa wchodzi do interferometru i jest rozdzielana na środku rozdzielacza wiązki. Biegnie do lusterek końcowych w obu ramionach i z powrotem do rozdzielacza wiązki. Jeżeli zmienia się położenie zwierciadła na końcu ramienia, czas przejścia danej wiązki laserowej zmienia się nieznacznie. Wielkość tę można zmierzyć, porównując wiązkę lasera z dotkniętego zwierciadła z wiązką lasera z drugiego ramienia interferometru, w którym zwierciadło nie zostało przesunięte.

Precyzja tego pomiaru w obecnych detektorach fal grawitacyjnych jest zawsze zdumiewająca, nawet dla fizyków: „Dokonujemy pomiarów z dokładnością mniejszą niż jedna dwutysięczna średnicy protonu” – wyjaśnia profesor Stahl. Dla przypomnienia, protony są składnikami jąder atomowych. „To ironia losu, że potrzebujemy precyzji w skali najmniejszych znanych nam cząstek, aby wykryć największe wydarzenia we wszechświecie, czyli łączenie się czarnych dziur” – dodaje w zamyśleniu.

Pierwsze próby pomiaru fal grawitacyjnych podjęto już w latach 60. XX wieku. Jednak dopiero obecna druga generacja laserowych urządzeń pomiarowych jest w stanie osiągnąć tak wyjątkową dokładność i obecnie wykryła około 100 zderzeń czarnych dziur i gwiazd neutronowych.

Prototyp wysoce stabilnego wzmacniacza światłowodowego domieszkowanego holmem jest obecnie opracowywany w Fraunhofer ILT. Nowa technologia laserowa może potencjalnie znaleźć zastosowanie także w innych obszarach zastosowań, m.in. w technologii kwantowej czy technologii medycznej. © Fraunhofer ILT.

Teleskop Einsteina

Profesor Stahl jest członkiem społeczności Niemieckiego Teleskopu Einsteina i obecnie pracuje nad kolejną generacją detektorów fal grawitacyjnych. Urządzenia pomiarowe tej trzeciej generacji powinny być dziesięciokrotnie bardziej czułe od obecnie stosowanych. Planowane obserwatorium fal grawitacyjnych zostało nazwane „Teleskopem Einsteina” na cześć twórcy ogólnej teorii względności. „Chcemy go wykorzystać do zbadania obszaru tysiąc razy większego niż to, co jest obecnie możliwe we wszechświecie dla fal grawitacyjnych. Powinniśmy wtedy znaleźć znacznie więcej źródeł, dla których obecne instrumenty nie są wystarczająco czułe” – wyjaśnia astrofizyk. Dotyczy to również cięższych obiektów, które emitują fale grawitacyjne o niższych częstotliwościach.

Teleskop Einsteina będzie składał się z trzech zagnieżdżonych detektorów. Każdy z tych detektorów będzie wyposażony w dwa interferometry laserowe z ramionami o długości 10 km. Aby jak najbardziej chronić przed zakłóceniami, obserwatorium zostanie zbudowane 250 m pod ziemią.

Jednak naukowcy wybiegają już myślami znacznie dalej w przyszłość: „Teleskop Einsteina będzie współpracował z nową, innowacyjną generacją obserwatoriów w zakresie widma elektromagnetycznego, od radia po promieniowanie gamma. Nazywamy to astronomią obejmującą wielu posłańców” – mówi profesor Stahl, opisując tę wizję. „Oprócz „uszu” do odbierania fal grawitacyjnych będziemy mieli także „oczy” wykrywające bardzo różne sygnały. Razem zapewnią one transmisję na żywo kosmicznych wydarzeń, jakich nikt wcześniej nie widział.”

Do tej pory można było losowo obserwować niebo i liczyć na krótki błysk. W przyszłości detektory fal grawitacyjnych będą działać w sposób ciągły i „nasłuchiwać”, gdy pojawi się sygnał. Jeśli kilka takich detektorów przechwyci sygnał, można obliczyć jego obszar pochodzenia i dopasować do niego inne teleskopy optyczne. Podobnie jak w przypadku zderzenia gwiazd neutronowych latem 2017 r., możliwych będzie wówczas kilka systematycznych pomiarów. Naukowcy mają nadzieję uzyskać dzięki temu wiele nowych spostrzeżeń, na przykład na temat wczesnego Wszechświata lub zderzeń, w wyniku których powstały wszystkie pierwiastki cięższe od żelaza.

Konfiguracja laboratoryjna wzmacniacza światłowodowego domieszkowanego tulem dla Teleskopu Einsteina. © Fraunhofer ILT.

Detektory w Europie i na świecie

Tak złożone pomiary wymagają globalnej współpracy. W związku z tym w USA opracowywany jest także projekt koncepcyjny detektora trzeciej generacji: „Cosmic Explorer” wraz z Teleskopem Einsteina utworzy globalną sieć detektorów. W 2021 r. Europejczycy włączyli Teleskop Einsteina do planu działania Europejskiego Forum Strategii ds. Infrastruktury Badawczej (ESFRI). ESFRI założono w 2002 r., aby umożliwić rządom krajowym, społeczności naukowej i Komisji Europejskiej wspólne opracowywanie i wspieranie koncepcji infrastruktur badawczych w Europie.

Wraz z włączeniem Teleskopu Einsteina do planu działania ESFRI wszedł on w fazę przygotowawczą. Budżet oszacowano na 1,8 miliarda euro. Oczekuje się, że eksploatacja będzie kosztować około 40 milionów euro rocznie. Rozpoczęcie budowy zaplanowano na 2026 r., a obserwacje rozpoczną się w 2035 r.

Obecnie trwają badania mające na celu wybór lokalizacji. Decyzja spodziewana jest w 2024 r. Obecnie badane są dwie możliwe lokalizacje: jedna na Sardynii i jedna w Euregio Moza-Ren, w trójkącie granicznym między Niemcami, Belgią i Holandią. Oceniając lokalizacje, partnerzy naukowi muszą nie tylko wziąć pod uwagę wykonalność budowy, ale także przewidzieć, w jakim stopniu lokalne środowisko będzie miało wpływ na czułość i działanie detektora.

Projekt obiecuje szereg korzyści dla regionu, którego to dotyczy: duża część kosztów wynoszących 1,8 miliarda zostanie przeznaczona na działania budowlane. Potrzebnych jest trzy razy dziesięć kilometrów tuneli i dwanaście razy dziesięć kilometrów rur próżniowych, żeby wymienić tylko dwa przykłady. W projekt zaangażowana jest już znaczna liczba firm.

Duży zespół pracuje już nad właściwym sprzętem pomiarowym w różnych lokalizacjach. Oprócz Uniwersytetu RWTH w Aachen obejmuje to także Instytut Fraunhofera Technologii Laserowej ILT w Akwizgranie. Obecnie opracowywane są tam nowe lasery, bez których nowe pomiary nie byłyby możliwe. „To, co tutaj opracowujemy do potencjalnego zastosowania w Teleskopie Einsteina, ma wyjątkową konstrukcję i jest przeznaczone wyłącznie do pomiaru fal grawitacyjnych” – potwierdza kierownik projektu Patrick Baer z Fraunhofer ILT, który jako kierownik jednostki badawczej w społeczności Teleskopu Einsteina reprezentuje grupy badawcze z Instytutów Fraunhofera ds. Technologii Laserowej ILT i Technologii Produkcji IPT, a także katedr Technologii Laserowej LLT i Technologii Systemów Optycznych na Uniwersytecie RWTH w Aachen. „Jednak w uproszczonej wersji technologia laserowa opracowana dla tego obszaru zastosowań może być interesująca również dla innych zastosowań, np. w technologii kwantowej. Jednak zdobyta wiedza może być również pomocna w rozwoju laserów w technologii medycznej: długość fali 2 µm jest odpowiednia na przykład do rozbijania kamieni nerkowych i pęcherza moczowego.” Ostatecznie właśnie to robi Fraunhofer ILT od chwili swojego powstania: wytwarzanie wysokiej klasy laserów pochodzących z badań, nadających się do zastosowań przemysłowych.

Finansowanie nie zostało jeszcze w pełni zabezpieczone. Profesor Stahl spodziewa się ostatecznej decyzji w ciągu najbliższych dwóch lat. Najpierw pracę rozpoczną planiści, potem budowniczowie tuneli, a na końcu fizycy zajmujący się laserami. „Szacuję, że pierwsze pomiary będziemy mogli wykonać w 2035 roku”.

Co fascynuje badacza takiego jak Achim Stahl? „Dzięki falom grawitacyjnym możemy zajrzeć w głąb wszechświata znacznie dalej niż za pomocą zwykłych teleskopów” – wyjaśnia astrofizyk. „W astrofizyce patrzenie głębiej w wszechświat oznacza – przede wszystkim – spojrzenie wstecz w czasie. Dzięki Teleskopowi Einsteina będziemy odbierać sygnały z czasów powstawania galaktyk i pierwszych gwiazd. To sięga dalej niż jest to możliwe za pomocą środków optycznych. I usłyszymy kosmiczne eksplozje na żywo wraz z falami grawitacyjnymi, zanim je zobaczymy.” Bardziej czułe detektory Teleskopu Einsteina „usłyszą” sygnały wcześniej i dadzą pozostałym teleskopom więcej czasu na ustawienie się. W przeszłości oglądanie takiego wydarzenia było raczej szczęśliwym zbiegiem okoliczności. Teraz po raz pierwszy możliwe są systematyczne pomiary. Nadchodzą ekscytujące czasy – i to nie tylko dla astrofizyków.

Prace były częściowo wspierane przez Interreg EMR, Europejski Fundusz Rozwoju Regionalnego (EFRE), a częściowo przez Ministerstwo Spraw Gospodarczych, Innowacji, Cyfryzacji i Energii Nadrenii Północnej-Westfalii.

Źródło: Fraunhofer ILT