Badania naukowe, informacje (na ogół) popularnonaukowe

Znajdujemy się u progu nowej i obiecującej dziedziny badań Wszechświata, jaką jest astronomia fal grawitacyjnych. Fale grawitacyjne są jedną z konsekwencji ogólnej teorii względności Alberta Einsteina - teorii, której 100-lecie obchodziliśmy w 2015 r. W myśl tej teorii opis oddziaływania grawitacyjnego za pomocą pojęcia siły jest przybliżony: w istocie grawitacja ma charakter geometryczny, jest krzywizną czasoprzestrzeni. Fale grawitacyjne są „zmarszczkami” w krzywiźnie czasoprzestrzeni poruszającymi się z prędkością światła.

Głównym źródłem naszej dotychczasowej wiedzy o Wszechświecie i obiektach go wypełniających są obserwacje fal elektromagnetycznych emitowanych przez różne ciała niebieskie (falami elektromagnetycznym są fale radiowe, światło widzialne, a także promieniowanie X i gamma). Obserwując fale grawitacyjne nie tyle „patrzymy” na Wszechświat, co raczej go „słuchamy” rejestrując drobne zaburzenia krzywizny czasoprzestrzeni. Do rejestracji fal grawitacyjnych potrzebne są specjalne urządzenia: są nimi laserowe detektory interferometryczne zbudowane w ramach amerykańskiego projektu LIGO i europejskiego projektu Virgo.

Fale grawitacyjne emitowane są podczas największych kosmicznych kataklizmów: zlewania się układów podwójnych gwiazd neutronowych lub czarnych dziur, wybuchów supernowych. Innymi ich źródłami są szybko rotujące gwiazdy neutronowe. Bezpośrednia detekcja fal grawitacyjnych umożliwi badanie wszystkich tych obiektów. Niektóre z nich „nie świecą”, czyli nie wytwarzają promieniowania elektromagnetycznego, dlatego informacji o nich nie da się uzyskać innymi metodami. Dobrym przykładem jest studiowanie wnętrz gwiazd neutronowych zbudowanych z najgęstszej istniejącej we Wszechświecie materii. Obserwacja fal grawitacyjnych pozwoli też na sprawdzenie poprawności ogólnej teorii względności w obecności silnych pól grawitacyjnych.

Jestem członkiem polskiego zespołu naukowców Virgo-POLGRAW zajmującego się analizą danych gromadzonych przez detektory LIGO i Virgo, które poszukują fal grawitacyjnych. Oprócz analizowania danych zbieranych przez detektory fal grawitacyjnych zajmujemy się rozwijaniem statystycznej teorii wykrywania sygnałów w szumie, a także modelowaniem astrofizycznych źródeł fal grawitacyjnych, przewidywaniami dotyczącymi populacji tych źródeł, obserwacjami emisji elektromagnetycznej towarzyszącej emisji fal grawitacyjnych. Mamy również swój udział w rozbudowie interferometru Virgo.

Wraz z innymi naukowcami z grupy Virgo-POLGRAW brałem udział w odkryciu fal grawitacyjnych, które miało miejsce 14 września 2015 r., kiedy to dwa amerykańskie detektory LIGO wykryły fale grawitacyjne wytworzone podczas zderzenia się dwóch czarnych dziur (odkrycie zostało ogłoszone 11 lutego 2016 r.). Osiągnięcie to zostało wyróżnione w 2017 r. Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki, przyznaną trzem amerykańskim fizykom związanym z projektem LIGO: Reinerowi Weissowi, Barry'emu C. Barishowi oraz Kipowi S. Thorne'owi. W związku z udziałem w pierwszej bezpośredniej rejestracji fal grawitacyjnych zostałem laureatem kilku nagród i wyróżnień: 2016 Gruber Cosmology Prize (nagroda zespołowa); 2016 Special Breakthrough Prize in Fundamental Physics (nagroda zespołowa); Medal PAN im. M.Kopernika (wyróżnienie zespołowe); zespołowa Naukowa Polskiego Towarzystwa Fizycznego im. Wojciecha Rubinowicza za rok 2016; Podlaska Marka Roku 2017 w kategorii „Odkrycie” (nagroda indywidualna).

Odpowiedzi na najczęściej zadawane pytania dotyczące fal grawitacyjnych i ich detekcji można znaleźć tutaj.

Układy podwójne złożone ze zwartych obiektów: gwiazd neutronowych bądź czarnych dziur, są jednymi z najważniejszych źródeł fal grawitacyjnych dla detektorów interferometrycznych LIGO i Virgo. Układy takie emitują fale grawitacyjne o rosnących z czasem amplitudzie i częstotliwości. Standardową metodą służącą do wykrywania w szumie detektora słabych na ogół sygnałów wywołanych przez fale grawitacyjne jest metoda filtru dopasowanego. Metodę tę można zastosować, o ile wcześniej wyznaczy się teoretycznie postać sygnałów, które będą poszukiwane w danych. Zbiór takich wcześniej przygotowanych sygnałów tworzy bank filtrów. Konstrukcja banku filtrów dla sygnału pochodzącego ze zlewającego się układu podwójnego oznacza konieczność rozwiązania, z dostatecznie dobrą dokładnością, relatywistycznego zagadnienia dwóch ciał, czyli znalezienia ruchu i promieniowania grawitacyjnego układu dwóch ciał oddziałujących grawitacyjnie zgodnie z ogólną teorią względności. Istnieją dwie klasy metod rozwiązywania tego zagadnienia: metody analityczne polegające na perturbacyjnym rozwiązywaniu równań Einsteina za pomocą, na przykład, przybliżenia postnewtonowskiego, oraz metody numeryczne.

Koszty obliczeniowe związane z numerycznym rozwiązywaniem równań Einsteina są tak duże, że w najbliższym czasie skonstruowanie banku filtrów służących do wykrywania sygnałów ze zlewających się układów podwójnych w oparciu o wyniki wyłącznie numeryczne nie będzie możliwe. Otrzymane do tej pory wyniki numeryczne pozwoliły na konstrukcję pewnej liczby filtrów i porównanie ich z filtrami skonstruowanymi w oparciu o wyniki postnewtonowskie: pokazano, że filtry „numeryczne” i „postnewtonowskie” zgadzają się bardzo dobrze w obszarze odpowiadającym adiabatycznej fazie ruchu układu poruszającego się po orbitach kwazikołowych. Aktualnie najlepszym rozwiązaniem będzie wykorzystanie filtrów hybrydowych, będących połączeniem filtrów skonstruowanych w oparciu o przybliżone wyniki postnewtonowskie (opisujące wczesną fazę ewolucji układu) z numerycznie obliczonymi filtrami związanymi z późnymi fazami ewolucji (czyli z fazą zlewania się obiektów i gasnącymi drganiami ‘wypadkowej’ czarnej dziury, które mogą być dobrze opisane przez kwazinormalne mody drgań czarnej dziury Kerra).

Wraz ze współpracownikami z Niemiec (prof. G. Schäferem) i  Francji (prof. T. Damourem), korzystając z formalizmu kanonicznego Arnowitta-Desera-Misnera, wyprowadziłem hamiltoniany układu 2ch nierotujących zwartych ciał w 3cim i 4tym rzędzie postnewtonowskim (3ci rząd postnewtonowski opisuje poprawki rzędu $(v/c)^8$ do grawitacji newtonowskiej, gdzie $(v/c)^8$ jest typową prędkością orbitalną ciał w układzie, zaś $c$  jest prędkością światła, natomiast 4ty rząd postnewtonowski to poprawki rzędu $(v/c)^8$ do grawitacji newtonowskiej). Znalazłem również pewne poprawki opisujące wpływ własnych momentów pędu ciał na ich ruch orbitalny (tego rodzaju zjawiska nazywają się w fizyce oddziaływaniem spin-orbita).

Obliczony przeze mnie we współpracy z T. Damourem i G. Schäferem hamiltonian układu dwóch punktów materialnych z dokładnością do trzeciego rzędu w przybliżeniu postnewtonowskim został użyty do konstrukcji banku filtrów wykorzystanych w analizie danych prowadzącej do pierwszej detekcji fal grawitacyjnych. W konstrukcji tego banku filtrów wykorzystano również wyniki osiągnięte przeze mnie, Damoura i Schäfera w zakresie efektywnego podejścia jednociałowego do problemu dwóch ciał: jedna z prac tego dotycząca została zacytowana w dokumencie The Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory and the first direct observation of gravitational waves (Scientific Background on the Nobel Prize in Physics 2017) przygotowanym przez Komitet Noblowski w związku z przyznaniem Nagrody Nobla z fizyki w roku 2017.