Co się stanie, jak zderzymy ze sobą dwie czarne dziury? I dlaczego powinno nas to interesować?

Symulacje zderzeń dwóch najsilniej oddziałujących na otoczenie ciał niebieskich to najnowszy pomysł astrofizyków na zgłębianie tajemnic zjawiska znanego pod nazwą fal grawitacyjnych. Zderzenie dwóch czarnych dziur uważane jest przez uczonych za najbardziej energetyczne zjawisko w całym wszechświecie, ustępujące tylko Wielkiemu Wybuchowi. Ma ono miejsce, gdy czarne dziury zbliżą się do siebie na tyle blisko, by zakleszczyć się ze sobą w grawitacyjnym uścisku, orbitując wokół siebie przez pewien czas, by następnie się połączyć w jedną. To zjawisko skutkuje emisją fal grawitacyjnych o bardzo specyficznej sygnaturze.

Fale grawitacyjne poznaliśmy nie dzięki naturalnym obserwacjom, a poprzez wyliczenia dokonane przez Alberta Einsteina podczas prac nad teorią względności. Uczony wyliczył, że tego typu zjawisko musi zachodzić, gdy obiekty o bardzo wysokiej masie przyspieszają w przestrzeni. Nigdy nam się jednak owych fal nie udało zaobserwować, choć pośrednio mamy dowody na ich istnienie poprzez obserwowanie efektów ich działania w układach podwójnych składających się z dwóch białych karłów orbitujących wokół siebie.

Przyspieszający ładunek, na przykład elektron, wytwarza promieniowanie elektromagnetyczne, w tym widoczne fale świetlne. Analogicznie, przyspieszając masę, uzyskujemy fale grawitacyjne. Te z kolei możemy wykorzystać do określenia charakterystyki i cech obserwowanych czarnych dziur, w tym ich masę, stosunek masowy a nawet sposób, w jaki się uformowały. Dalej jednak wpadamy w pętlę, z której się nie wydostaniemy, dopóki nie zaobserwujemy owych fal grawitacyjnych. Ich wykrycie otworzy przed astronomią nowe możliwości badania odległych obiektów, na przykład badanie wnętrza gwiazd neutronowych, wspomnianego wyżej zjawiska zlewania się czarnych dziur, a także obserwacji procesów zachodzących przed epoką rekombinacji wodoru, co będzie miało ogromne znaczenia dla kosmologii. No ale… jak je złapać?

Podejmowanych jest kilka prób. Najciekawszym wydaje się projekt LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), a więc dwa obserwatoria w Stanach Zjednoczonych skoncentrowane wyłącznie na próbach wykrycia fal grawitacyjnych. Zakłada on wykorzystanie laserów w dwóch czterokilometrowych tunelach w kształcie litery „L” i zdaniem jego konstruktorów nawet najmniejsze zaburzenia czasoprzestrzeni powinny być za jego pomocą wykryte właśnie w formie fal grawitacyjnych. Na razie to się jednak nie udało, choć nie zniechęca to innych: Unia Europejska buduje swoje własne obserwatorium VIRGO, a misa LISA Pathfinder zakłada umieszczenie w przestrzeni kosmicznej detektora owych fal.

Uczeni są jednak zmęczeni czekaniem i niezależnie od prób obserwacji, chcą podążać drogą Einsteina i przeprowadzać eksperymenty wykorzystując jedynie teoretyczną fizykę i matematykę. Do niedawna nie było to możliwe, ale dzisiejsze superkomputery potrafią rozwiązać dany problem w kilka sekund, zamiast w kilka lat. Projektowane właśnie algorytmy mają pozwolić na wirtualną obserwację ewolucji czarnych dziur przez miliony lat. To z kolei nam pozwoli poznać dokładną charakterystykę fal grawitacyjnych, która zostanie wykorzystana by ulepszyć obserwatoria mające je wykryć w naturze. Swego rodzaju hakowanie nauki.

Pomysł naukowców na obejście problemu mógł być zainspirowany niedawną sensacją, jaką w świecie nauki wzbudził film „Interstellar”. Twórcy efektów specjalnych wykorzystali dane matematyczne od astrofizyków by wyrenderować obecną w filmie czarną dziurę, tym samym odkrywając jak właściwie owa czarna dziura wygląda dla obserwatora. Potrzebna była tylko moc obliczeniowa serwerów studia Double Negative.

Jeżeli projekt zakończy się powodzeniem, będzie to rewolucja dla astronomii, równie istotna co wynalezienie teleskopu czy ujarzmienie promieniowania rentgenowskiego. Potencjał jest jednak jeszcze większy. Zrozumienie fal grawitacyjnych i samej grawitacji otworzy nam zupełnie nowe możliwości. Pamiętacie „plan A” z wyżej wspomnianego „Interstellara”, polegający na wyniesieniu potężnej stacji kosmicznej na orbitę operując wyłącznie grawitacją? A to tylko przykład…