Grawiton – gonić króliczka

0
15

Grawiton. Hipotetyczna cząstka odpowiedzialna za oddziaływania grawitacyjne. Pozbawiona masy i ładunku. Choć nie istnieją żadne prawa naturalne, które uniemożliwiałyby jej wykrycie, pozostaje ciągle konstruktem teoretycznym. Czy jej zarejestrowanie jest jednak w ogóle możliwe? A może w tym przypadku fizycy będą musieli satysfakcjonować się jedynie obserwacją pośrednich zjawisk wynikających z ewentualnego oddziaływania grawitonów?

Fale grawitacyjne

W roku 2015 interferometry projektu LIGO zarejestrowały obecność fal grawitacyjnych. Wydarzenie to, choć niezwykle doniosłe, nie miało niestety nic wspólnego z zaobserwowaniem grawitonów. Czym zatem są fale grawitacyjne i jak ma się do nich grawiton? Fala grawitacyjna to przemieszczające się drganie czasoprzestrzeni (inaczej: rozchodzące się drgania pola grawitacyjnego). Istnienie fal grawitacyjnych postulowane było już przez ogólną teorię względności. Ich detekcja nia była jednak możliwa z powodu znikomych sił oddziaływania. I choć źródłem fal grawitacyjnych jest każde ciało poruszające się z przyspieszeniem, to jednak aby możliwe było zaobserwowanie zjawiska obiekt musi wykazać się zarówno ogromną wartością owego przyspieszenia, jak i potężną masą. Wiadomo było, iż fale grawitacyjne będzie można zaobserwować jedynie w szczególnych okolicznościach i miejscach – wśród najbardziej masywnych obiektów: gwiazd neutronowych oraz czarnych dziur. Wyjątkowo silny potencjał posiadały układy dwóch krążących wokół siebie gwiazd neutronowych, albo szczególny przypadek kolizji tego typu obiektów, podczas którego nastąpiłaby gigantyczna erupcja energii, a co za tym idzie emisja silnych fal grawitacyjnych. Takie szczególne warunki zaistniały właśnie przy okazji pierwszej rejestracji fal grawitacyjnych wywołanej kolizją dwóch czarnych dziur odległych od Ziemi o 1,3 mld lat świetlnych. W efekcie zderzenia pod postacią fal grawitacyjnych wyemitowana została trzykrotna masa Słońca. Efekty takiej emisji dały się już zaobserwować przez LIGO.

LIGO

LIGO jest systemem zbudowanym z dwóch rur betonowych o długości 4 kilometrów i średnicy 2 metrów ułożonych prostopadle do siebie. Wewnątrz umieszczone są próżniowe rurki, a w miejscu połączenia rur zamontowano laser i rozdzielacz wiązki świetlnej. Zadaniem rozdzielacza jest kierowanie wiązki laserowej do obu ramion jednocześnie. Światło dociera do zwierciadeł umieszczonych na krańcach instalacji. Działanie fali grawitacyjnej wywołuje odkształcenie ramion i światło przechodząc przez oba ramiona ma do przebycia różne drogi.

Fale i grawitony

Detekcja fali grawitacyjnej jest zatem swoistą obserwacją czasoprzestrzennych oscylacji wygenerowanego przez procesy w kosmicznej makroskali i nie ma nic wspólnego z udokumentowaną rejestracją cząstek elementarnych na poziomie kwantowym. 

Na poziomie cząsteczkowym grawiton i jego związek z falą grawitacyjną traktowany jest analogicznie do relacji fali elektromagnetycznej i fotonu. Fale grawitacyjne, których nośnikami byłyby bozony w postaci grawitonów, można by rozważać jako spójny stan tych cząstek, podobnie jak fale elektromagnetyczne są spójnym stanem fotonów. Emisja fali związana jest wówczas z utratą energii w formie kwantów promieniowania grawitacyjnego istniejących pod postacią grawitonów (kwantowych nośników pola grawitacyjnego). Skoro pozostałe oddziaływania są przekazywane przez cząstki elementarne, również oddziaływania grawitacyjne powinny być przenoszone kwantowo. Czy da się stwierdzić istnienie kwantów pola grawitacyjnego, a co za tym idzie grawitonów? Na razie jedynie teoretycznie. Budowa detektora, który byłby w stanie rejestrować pojedyncze grawitony jest poza zasięgiem współczesnej technologii. Istnieją tu dwie podstawowe przeszkody – wysoka czułość takiego interferometru oraz umiejętność oddzielenia szumu tła. Aby spełnić oba warunki rozmiar detektora musiałby w tym przypadku dorównywać średnicy Jowisza, a tarcza filtrująca inne rodzaje promieniowania (neutrina) byłaby grubości kilku lat świetlnych. O konieczności umieszczenia takiego systemu wokół orbity masywnego obiektu grawitacyjnego, jak gwiazda neutronowa, jedynie wspomnimy. Teoretyczne wyliczenia wskazują, iż zarówno detektor, jak i ekran separujący inne rodzaje promieniowania sprasowane do rozsądnych rozmiarów byłyby na tyle masywne, że kończyłyby zapaścią w czarnej dziurze. 

Sposoby obserwacji

FIzycy nie poddają się poszukując alternatywnych i pośrednich metod obserwacyjnych. Jedna z koncepcji związana jest z badaniem wyjątkowo intensywnych zjawisk grawitacyjnych, w trakcie których dochodzić może niejako do “ujawniania” grawitonów. Istnieje koncepcja, przypisująca fotonom w pewnych ekstremalnych przypadkach możliwość przekształceń w grawitony. Taki przemiana mogłaby następować także w drugą stronę. Trwają prace nad analizą mechanizmu zjawiska odpowiedzialnego za znaczne zintensyfikowanie stopnia takiej transformacji, i tym samym ułatwienia obserwacji. Przemiana taka byłaby możliwa w szczególnym przypadku np. zderzenia czarnych dziur i obserwowalna w okolicy miejsca takiej kosmicznej katastrofy. Szacunki gęstości grawitonów mogą być w takim przypadku wystarczające do podjęcia próby detekcji promieniowania fotonowego powstałego w przypadku takiej transformacji. Należałoby oczywiście wydzielić stosowne radiowe promieniowanie z całego spektrum emitowanego promieniowania. Model ten wymaga jeszcze dalszych drobiazgowych analiz, jednak zdaniem jego autora Douglasa Singletona ze Stanowego Uniwersytetu Kalifornijskiego, jest on niezwykle obiecujący i powinien zachęcić innych fizyków do podjęcia badań w tym kierunku.

 

Jak widać nie zanosi się na szybkie odnotowanie i potwierdzenie faktu istnienia grawitonu. No chyba, że opracowana zostanie unifikująca teorię względności i mechanikę kwantową teoria kwantowej grawitacji. Wówczas uzyskamy pewność istnienia grawitonu. Co prawda ciągle w sposób pośredni i teoretyczny. Jednak bez konieczności wznoszenia niemożliwych konstrukcji detektorów.

5 1 vote
Article Rating
Subscribe
Powiadom o
guest
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments