Nim oddzieliła się światłość

– Czym gwiazdy neutronowe różnią się od naszego Słońca?
– Jeśli chodzi o masę, to jest ona dość podobna. Tyle że Słońce ma ponad milion kilometrów średnicy. W przypadku gwiazd neutronowych ta sama masa została ściśnięta do kuli kilkunastokilometrowej. Gwiazdy neutronowe są więc niesłychanie gęste, szczególnie w środku. Łyżeczka do herbaty takiej materii ważyłaby miliard ton.

– Jak są takie małe, to pewnie trudno zwykłemu człowiekowi zobaczyć je w nocy na niebie?
– Nie dość, że są małe, to jeszcze najczęściej słabo świecą w świetle widzialnym dla oka. Zwykły obserwator nie ma szans ich zobaczyć.

– Jak więc je odkryto?
– Najpierw przewidziano ich istnienie teoretycznie. Było to w latach 30 XX wieku. Fizycy spekulowali, że tak gęsta materia jest możliwa, i może gdzieś w przyrodzie istnieć. Ale gdzie? Jak jej szukać? Nie było wiadomo. O całej sprawie niemal zapomniano. Aż w roku 1967 odkryto pulsary.

– Czyli co?
– Obiekty emitujące fale radiowe w bardzo regularnych odstępach czasu. To były czasy zimnej wojny, odkrywcy byli pewni, że to satelita szpiegowski. Rozważali też, czy to nie aby obca cywilizacja. Potem dopiero pomyśleli, że może to być obiekt naturalny. I przypomnieli sobie o gwiazdach neutronowych.

– Czyli pulsar i gwiazda neutronowa to to samo?
– Pulsar to specyficzna gwiazda neutronowa, która cyklicznie emituje puls. Najbardziej stabilne pulsary biją na głowę najdokładniejsze ziemskie zegary atomowe. 

– Jak gwiazda neutronowa wysyła te sygnały?
– Zazwyczaj porównuje się ją do latarni morskiej. Gwiazda neutronowa obraca się wokół osi (czasem nawet bardzo szybko, setki razy na sekundę), wiruje też związane z nią pole magnetyczne. Promieniowanie radiowe wytwarzane w magnetosferze omiata przestrzeń wąską wiązką – radioteleskopy na Ziemi rejestrują ją raz na jakiś czas, gdy akurat wysyłana jest w naszym kierunku.

– A skąd w ogóle te gwiazdy neutronowe się wzięły? Jak do tego doszło, że stały się tak gęste?
– Są one ostatnim stadium ewolucji masywnych gwiazd, powiedzmy dziesięć razy większych od Słońca. Kiedy gwiazda się dopala, w jej jądrze nie ma już wodoru ani helu, ani innych lekkich pierwiastków, pozostaje tylko żelazo, które nie ulega dalszym reakcjom termojądrowym. Brak reakcji zaburza równowagę i żelazne jądro zaczyna się zapadać, elektrony łączą się z protonami, w wyniku czego powstają neutrony. W końcu mamy w środku gwiazdy zwartą kulę neutronów, która już bardziej zapaść się nie może i spadające na nią coraz szybciej zewnętrzne warstwy. Materia ta „odbija się” od neutronowej kuli i w ten sposób dochodzi do wybuchu supernowej.

– I zostaje to co było w środku, czyli gwiazda neutronowa?
– Czasem zostaje czarna dziura, są też tajemnicze supernowe, w których zgliszczach nie widzimy zupełnie nic. Ale faktycznie, czasem zostaje gwiazda neutronowa, czyli najbardziej ekstremalna forma skupienia materii we Wszechświecie.

– Dlaczego ekstremalna?
– Dlatego, że w żadnym innym miejscu nic podobnego wystąpić nie może. Na Ziemi, ani nigdzie w Układzie Słonecznym nigdy czegoś takiego nie zaobserwujemy. Ta masa jest tak olbrzymia i skupiona na tak małym obszarze, że zupełnie nie sposób opisać jej z pomocą fizyki newtonowskiej. Ona gnie czasoprzestrzeń tak łatwo jak pan może wygiąć łyżeczkę do herbaty. W gwieździe neutronowej panuje reżim silnej grawitacji.

– Co to znaczy?
– To, że dzięki ogromnej grawitacji materia jest tam tak zgnieciona, że może istnieć w innych, egzotycznych stanach, w gęstościach niespotykanych nigdzie indziej poza Wielkim Wybuchem.

– Czyli w czasach z którego pochodzi słynne promieniowanie tła?
– Nie, jeszcze wcześniej. Mierząc mikrofalowe promieniowanie tła obserwujemy Wszechświat jakieś 400 tyś. lat po Wielkim Wybuchu. A ja tu mówię o tym, co było wcześniej. To jest trochę jak w Księdze Rodzaju: w pewnym momencie Bóg oddzielił światłość od ciemności. Metaforycznie można powiedzieć, że coś takiego się wydarzyło w pewnym momencie po Wielkim Wybuchu. Wcześniej światło było złączone z materią. Gwiazdy neutronowe mogą umożliwić nam poznanie tego właśnie praświata.

– Czyli badając błyski pulsarów możemy wejrzeć w te niezbadane dotąd mroczne czasy?
– Niestety błyski pulsarów to trochę za mało. Dlatego polujemy na fale grawitacyjne, ostatnie niepotwierdzone przewidywanie teorii Einsteina. Uważamy że te fale mogą być emitowane np. podczas zderzenia dwóch gwiazd neutronowych. Mogły też powstać we wczesnym Wszechświecie przed momentem, w którym powstało promieniowanie tła.

– Jak te fale się bada?
– Dotychczas obserwowaliśmy je tylko pośrednio. Ale istnieją już przyrządy, które będą w stanie je wykryć.

– Co to za instrumenty?
– Interferometry laserowe. Ich zasada działania jest taka: mamy wiązkę laserową, którą rozdzielamy na dwie części, każdą z nich wpuszczamy do długiej rury. Te rury są do siebie prostopadłe. Potem mierzymy odległość, którą przebywa laserowy puls odbijający się od luster na końcach rur. Jeśli ramiona interferometru zmienią długość, będzie to znaczyło, że podczas badania przez instrument przeszła zakrzywiająca czasoprzestrzeń fala grawitacyjna.

– Te rury muszą być bardzo długie, żeby można było cokolwiek wykryć?
– Tak, mają po kilka kilometrów. Prócz tego każda wiązka przelatuje przez rurę około stu razy, lata tam i z powrotem odbijając się od luster. Przebywa drogę kilkuset kilometrów.

– Gdzie się znajduje taki przyrząd?
– Jest ich kilka. Dwa największe należą do eksperymentu LIGO w Stanach Zjednoczonych, jest także europejski Virgo we Włoszech, koło Pizy. Dzięki temu, że mamy trzy interferometry oddalone od siebie, będziemy mogli ustalić z którego kierunku fala grawitacyjna przybyła. Prócz tego im więcej urządzeń, tym łatwiej wziąć poprawkę na rozmaite zakłócenia.

– Jakie zakłócenia?
– Na przykład w Pizie fale morskie uderzają o brzeg i trzęsą tym niesłychanie czułym urządzeniem. A w Livingston w USA podczas wycinki lasu obserwacje nie mogą być prowadzone.

– Serio? Drwale przeszkadzają badać początki Wszechświata?
– Takie życie. Ale nie ma co narzekać. Interferometrów jest kilka, więc uwzględnia się poprawki na zakłócenia. To co jest wyjątkowo ekscytujące to fakt, że będziemy korzystać nie tylko z interferometrów, ale też z innych detektorów. Kiedy wykryjemy falę grawitacyjną nadchodzącą z jakiegoś kierunku, będziemy np. mogli poprosić kolegów z obserwatorium SWIFT, żeby spojrzeli w tamtą stronę i poszukali krótkiego błysku gamma. Fale grawitacyjne nadejdą, według teorii, chwilkę wcześniej niż elektromagnetyczne, więc SWIFT spokojnie zdąży ten błysk gamma zobaczyć.

– I jeśli rzeczywiście zobaczy, to co?
– To będzie to potwierdzenie hipotezy, że krótkie błyski gamma są wynikiem kolizji dwóch gwiazd neutronowych. Dzięki interferometrom będziemy mogli powiązać fale grawitacyjne z innymi zjawiskami w kosmosie, zobaczyć je w zupełnie inny sposób.

– Kiedy te badania się rozpoczną?
– Za mniej więcej rok. Nie mogę się już doczekać! Zresztą nie tylko ja. W tym samym czasie powinny się też pojawić ostateczne wyniki poszukiwań bozonu Higgsa w Wielkim Zderzaczu Hadronów. Szykuje się bardzo ciekawy czas.

Rozmawiał Łukasz Kaniewski

data publikacji: 1 grudnia 2014