LIGO-Virgo i fale grawitacyjne – rozmowa z Adamem Kutynią

W ostatni czwartek oficjalnie potwierdzono pionierskie zarejestrowanie fal grawitacyjnych. W niemałym sukcesie projektów LIGO i Virgo uczestniczyła także kilkunastoosobowa polska ekipa, a wśród niej mgr inż. Adam Kutynia, który zgodził się na udzielenie obszernego komentarza dla Kwantowo.

Polscy fizycy i inżynierowie uczestniczący w sukcesie LIGO-Virgo
Zespół POLGRAW. Od lewej: K. Borkowski, A. Kutynia, A. Zadrożny, M. Bejger, D. Rosińska, M. Sieniawska, I. Kowalska-Leszczyńska, P. Jaranowski, O. Dorosz, P. Cieląg, A. Błaut. Fot. Marianna Zadrożna (źródło: NCBJ).

Panie Adamie, polskie media jak zwykle wraz z obwieszczeniem naukowego sukcesu, jednym tchem przypominają o polskim udziale w znaczącym odkryciu. Niestety jak to zwykle bywa, nigdzie nie można znaleźć nawet pół zdania konkretu na temat owego wkładu. Czy mógłby Pan, na razie ogólnie, przybliżyć czym zajmowała się grupa pod kierownictwem prof. Andrzeja Królaka w ramach odkrywania fal grawitacyjnych?

Grupa POLGRAW, której szefuje Andrzej Królak, jest częścią szerszego projektu Virgo (więcej na tej stronie – przyp. A.). W 2007 roku zostało podpisane porozumienie w wyniku którego utworzono konsorcjum naukowe LIGO i Virgo. W skrócie polega ono na bardzo szerokiej współpracy naukowej i inżynierskiej oraz, co w tym  przypadku najistotniejsze, na wymianie i wspólnej analizie danych. Wszystkie wyniki są wspólnym dziełem. Rzecz w tym, że wszystkie trzy interferometry (LIGO to w istocie dwa instrumenty) są tak złożonymi i precyzyjnymi instrumentami, że dane z jednego urządzenia nie mają praktycznego znaczenia – tak dużo jest możliwych źródeł zakłóceń.

Zasada działania interferometrów LIGO
Ogólna zasada funkcjonowania LIGO. Mierzymy zmiany trasy jaką przebywa rozszczepiona wiązka lasera. Droga ta może ulec mikroskopijnej zmianie w związku z przejściem fali grawitacyjnej.

Dopiero korelacja danych z dwóch lub więcej znacznie oddalonych od siebie instalacji pozwala na potwierdzenie detekcji fal grawitacyjnych. Polska grupa – POLGRAW – jest odpowiedzialna za analizę danych z interferometrów ze specjalizacją w układach podwójnych, czyli ukierunkowaną na wykrywanie bardzo specyficznych źródeł. Z bardziej przyziemnych spraw: w ramach polskiego wkładu  do projektu zostały zakupione elementy układów próżniowych oraz – i tu moja osobista cegiełka – uczestniczyłem w opracowaniu obecnie wdrażanego systemu aktywnego tłumienia drgań sejsmicznych. Z kolei prace prof. Królaka i prof. Jaranowskiego legły u podstaw algorytmów do wykrywania takich zdarzeń w strumieniu danych, więc ich wkład jest jak najbardziej rzeczywisty. Z kolei prof. Tomasz Bulik i prof. Krzysztof Belczynski przewidzieli, że pierwszą detekcją będzie właśnie wykrycie układu czarnych dziur. 

Ale konkretnie tych czarnych dziur, na które ostatecznie padło, czy ogólnie tego typu układu? Bo jakie możliwości wchodziły w grę, poza czarnymi dziurami i ewentualnie gwiazdami neutronowymi?

Nie chcę wchodzić tutaj w kompetencje astrofizyków, ale tych możliwości było znacznie więcej: wybuch supernowej też będzie zmianą układu mas, więc stałby się źródłem fal grawitacyjnych, podobnie jak wszelkie układy podwójne nie tylko czarnych dziur. No i koledzy nie przewidzieli tych zdarzeń zaglądając do szklanej kuli, tylko policzyli ich prawdopodobieństwa i możliwe energie przez nie emitowane. A przewidzenie połączenia akurat tych konkretnych czarnych dziur chyba raczej nie mogli przewidzieć: to się wydarzyło ok. miliarda lat temu, a informacja którą odebraliśmy za pomocą detektora była pierwszą jak dotarła do nas o tym wydarzeniu – fala grawitacyjna podróżuje z prędkością światła.

Astrofizycy już zacierają ręce na myśl o pojawiających się możliwościach obserwacyjnych. Ciekawi mnie jednak bardziej przyziemna kwestia: jaką (naukową) ścieżkę trzeba przejść, żeby zostać zaangażowanym w tak duże przedsięwzięcie jak LIGO? To pański debiut na międzynarodowej scenie naukowej?

Moje zatrudnienie w projekcie to raczej kwestia przypadku niż jakoś świadomie wybranej ścieżki naukowej. W pewnym momencie Wszechświata zdecydowałem wręcz że ścieżka naukowa mnie nie pociąga – wolę lutownicę niż pióro (a raczej kredę). Wcześniej pracowałem na Politechnice Wrocławskiej w zespole projektującym i budującym spektrometry EPR, więc “na scenie naukowej” to debiut! 🙂

Czym zajmuje się Pan na co dzień, w swojej pracy akademicko-inżynierskiej? Prowadzi Pan jakieś zajęcia dla studentów? 😉

Przez 11 lat pracowałem na Politechnice Wrocławskiej i tam miałem okazję budować różne urządzenia pomiarowe: magnetometry, kontrolery pola magnetycznego, spektrometry EPR, przyrządy do badania próbek magnetycznych i wiele innych. Byłem zatrudniony w Zakładzie Teorii Obwodów (najbardziej znienawidzonym przez studentów, choć mam nadzieję że nie za moją sprawą :-)) i prowadziłem zajęcia ze studentami. Od kilku lat pracuję jednak w NCBJ (Narodowe Centrum Badań Jądrowych – przyp. A.) i mój kontakt ze studentami ogranicza się do okazjonalnej pomocy doktorantom.

Urządzenia tłumiące zakłócenia w LIGO
Hala z widocznymi wieżami supertłumików.

Czym zatem zajmował się Pan osobiście, jako inżynier projektu LIGO-Virgo?

W 2012 roku zostałem zatrudniony w NCBJ i wysłany do Casciny we Włoszech gdzie pracowałem w zespole SAT, odpowiedzialnym za zbudowanie i utrzymanie “supertłumików” (ang. superattenuators), czyli układów odpowiedzialnych za tłumienie drgań sejsmicznych. Izolacja od drgań sejsmicznych jest sprawą kluczową w naszym układzie pomiarowym – bo jak zmierzyć przesunięcie swobodnie zawieszonej masy 10-19 m, jeśli przejeżdżające kilka kilometrów dalej ciężarówki powodują przesuniecie miliony razy większe? Otóż zwierciadła interferometru – stanowiące elementy masy referencyjnej, zawiesza się na specjalnych konstrukcjach – supertłumikach, będących filtrami mechanicznymi wystarczająco dobrze tłumiącymi wszelkie drgania sejsmiczne przenoszone przez grunt. Układ ten, będący wymyślną konstrukcją wahadeł, odwróconego wahadła oraz sprężyn i amortyzatorów, wnosi jednak własne drgania na skutek własnych rezonansów mechanicznych. Jednakże zakres częstotliwości wnoszonych przez te układy mechaniczne dobrze poddaje się aktywnym metodom tłumienia – zwłaszcza przy znanych transmitancjach układu.

Szczyt supertłumika z elementami pomiarowymi: akcelerometrami i transformatorami LVDT oraz aktuatorami.
Szczyt supertłumika z elementami pomiarowymi: akcelerometrami i transformatorami LVDT oraz aktuatorami.

I tu właśnie zaczyna się rola zespołu elektroników którzy stosując wymyślne metody pomiarowe kompensują w czasie rzeczywistym ruchy układu. W tym celu został przez nas zaprojektowany i wykonany modułowy system, który w lokalnych i globalnych pętlach sprzężenia zwrotnego stabilizuje położenia zwierciadła. Każde zwierciadło, a jest ich w interferometrze 10, jest zawieszone w osobnej wieży, z których każda jest obsługiwana przez osobny system zawierający przetworniki położenia, przyśpieszenia, przetworniki analogowo-cyfrowe, procesory sygnałowe, wzmacniacze i (wreszcie, uff…) aktuatory. Należy też pamiętać, że detektor pracuje w tzw. modzie “dark fringe” interferometru. Oznacz to, że na detektorze jest utrzymywany ciemny prążek interferencyjny (czyli zerowy sygnał optyczny), więc sygnałem wyjściowym interferometru jest sygnał błędu globalnej pętli sprzężenia zwrotnego. Oznacza to tyle, że sygnał którym stabilizujemy położenie lustra zawiera w istocie informacje o pojawiającej się fali grawitacyjnej. Dodatkowo, niejako w ramach hobby, współpracowałem z grupą optyków z którymi myśleliśmy nad układami kompensacji krzywizny zwierciadeł metodami kontaktowymi i projekcji podczerwieni. Na zbudowanych przeze mnie urządzeniach dwie osoby oparły badania do swoich doktoratów.

Przechodząc do samego eksperymentu LIGO. Sądzę, że czytelnicy zdążyli się już z grubsza zorientować czym są fale grawitacyjne i jaki sukces osiągnięto. Ale czy mógłby Pan w kilku zdaniach wyjść poza news – “uchwycono fale grawitacyjne pochodzące z kolizji układu podwójnego czarnych dziur” – i powiedzieć, co konkretnie, “technicznie” dostrzeżono?

Tu raczej odesłałbym do moich kolegów z grupy POLGRAW – na pewno są bardziej kompetentni w tej dziedzinie (dla ambitniejszych służę linkiem do samego źródła – A.). Jednak z inżynierskiego punktu widzenia zarejestrowano efekt przejścia przez detektory fali grawitacyjnej, co spowodowało zmianę długości ramion interferometru. Zmiana ta była bardzo mała – rzędu 10-18 m (sporo mniejsza niż rozmiar protonu! – przyp. A.)  – ale i tak stosunek sygnału do szumu (SNR) tego sygnału wynosił 24, co spowodowało natychmiastowy alert załogi detektora… 

Czytelnicy będą na pewno wdzięczni jeśli lekko rozjaśni Pan kwestię szumu i jak należy traktować tę liczbę w tym kontekście.

Tutaj oczywiście należałoby po prostu odesłać do artykułu, ale w uproszczeniu sprawa wygląda tak, że “normalnym” sygnałem wyjściowym detektora są po prostu szumy, pochodzące z różnych źródeł. Jeśli sygnał, którego źródłem jest fala grawitacyjna przechodząca przez detektor będzie słabszy od poziomu szumów, to nie zostanie on zauważony. Jednak sygnał zarejestrowany 14 września był 24 razy większy niż poziom szumów. 

Trzeba pamiętać, że tego dnia przeprowadzany był tzw. engineering run, czyli interferometr pracował po to aby go “dostroić”, więc pierwszym przypuszczeniem była raczej awaria jakiegoś podsystemu niż detekcja :-). Dopiero późniejsza analiza danych, korelacja z drugim interferometrem oraz specyficzna “sygnatura” sygnału pozwoliły na wyciągnięcie wniosków o detekcji fali grawitacyjnej i naturze zjawiska które ją spowodowało.

Tego dnia przeprowadzany był tzw. engineering Run, czyli interferometr pracował po to aby go “dostroić”, więc pierwszym przypuszczeniem była raczej awaria jakiegoś podsystemu niż detekcja.

Odczyty interferometrów LIGO, świadczące o odkryciu fal grawitacyjnych

W wielu przypadkach spotkałem się ze stwierdzeniami naprawdę radykalnymi; nazywającymi wychwycenie fal grawitacyjnych “przełomem w nauce”, odkryciem na miarę Nobla. Pytanie, czy w przypadku teorii testowanej sto razy, sto pierwsza próba rzeczywiście czyni kolosalną różnicę? Doszło jedynie do kolejnego potwierdzenia teorii Einsteina, czy jednak wpadliśmy też na coś nowego?

Bezpośrednia detekcja fal grawitacyjnych jest “przełomem w nauce” chociaż, jak każde odkrycie, w ograniczonym zakresie. Na pewno otwiera nową gałąź w astronomii, pozwalając np. na obserwację czarnych dziur – co do tej pory było możliwe tylko metodami pośrednimi. Fale grawitacyjne, w przeciwieństwie do fal elektromagnetycznych praktycznie nie ulegają zniekształceniu przy przejściu przez ośrodki materialne, co pozwala na obserwację zupełnie nowych zjawisk. Co do “jedynie” potwierdzenia teorii Einsteina to warto pamiętać, że on sam nie był jej w 100% pewny.

A propos nowych możliwości. Bodaj dwa lata temu ekipa związana z eksperymentem BICEP publikowała wyniki swoich badań, wskazujących na wykrycie grawitacyjnego reliktu wielkiego wybuchu (co nieco w znajdziecie w tym tekście). Oczywiście tamten program działał na zupełnie innej zasadzie, a zdobyte informacje należało traktować co najwyżej jako dowód pośredni. Czy LIGO byłby w stanie uchwycić te prastare i zapewne niezwykle delikatne zakłócenia? Czy to w ogóle możliwe?

Rzeczywiście, była mowa o takim dowodzie pośrednim, ale okazało się, że popełniono błąd i takich dowodów jednak nie ma. Prawdopodobnie ani LIGO ani Virgo nigdy nie będą w stanie zmierzyć takich pozostałości, gdyż one po prostu zginą w szumie.

Fale grawitacyjne we wszechświecie
Otwierają się nowe możliwości obserwacji masywnych obiektów.

Z powyższymi wiąże się też następne pytanie. Czy obawiał się Pan – lub ktokolwiek z ekipy – fiaska eksperymentu? Co mogło pójść nie tak? A może nawet po cichu ktoś liczył na odnalezienie jakiegoś wyłomu w ogólnej teorii względności? 🙂

Zacznę od końca. Nie spotkałem się w zespole Virgo/LIGO z nikim kto spodziewałby się wyłomu w ogólnej teorii względności. Należy tu pamiętać że nawet ewentualne fiasko projektu udowodniłoby raczej, że wciąż nie umiemy wykryć fal grawitacyjnych, a nie że one nie istnieją. Ewentualne niepowodzenie eksperymentu oczywiście zawsze było zmartwieniem zespołu V/L i to wcale nie takim nieprawdopodobnym. Należy pamiętać, że prace nad interferometrem rozpoczęły się ponad 20 lat temu, a obecnie pracujący sprzęt jest już trzecią generacją ciągle rozwijanej aparatury – co powinno dać wyobrażenie nad złożonością i stopniem skomplikowania instrumentu.

OTW bywa nazywana “najlepiej udokumentowaną teorią w historii”. LIGO tylko to potwierdziło. Tymczasem, nawet w Polsce pojawiają pojedynczy fizycy podchodzący sceptycznie do stuletniej idei Einsteina. Sądzi Pan, że jest jeszcze miejsce na przełamanie paradygmatu teorii względności? Spotkał się Pan z fizykami nie uznającymi filaru współczesnej nauki?

Żeby teorię zweryfikować można przeprowadzić tysiące eksperymentów które ją potwierdzają, ale tylko jeden który jej zaprzeczy. Niech więc próbują :-). Jeśli komuś się uda zdobędzie sławę, być może równą Albertowi Einsteinowi.

Co dalej z projektem? Zakładam, że drogie kompleksy badawcze nie zostaną nagle zamknięte. Ale czy są w stanie przekazać nam jeszcze jakieś naprawdę istotne dane? Naukowcy jeszcze czegoś konkretnego oczekują?

Interferometry projektów Virgo/LIGO będą pracować w obecnej konfiguracji do 2020 roku. W tym czasie będą ciągle “dostrajane” w celu zwiększenia ich czułości, co pozwoli na wykrycie innych mniej widocznych zdarzeń. Następnym krokiem będzie zbudowanie Einstein Telescope czyli interferometru do prowadzenia ciągłych obserwacji astronomicznych oraz detektora eLISA (ang. Evolved Laser Interferometer Space Antenna) zawieszonego w przestrzeni kosmicznej – pathfinder tego ostatniego został wysłany przez ESA w grudniu ubiegłego roku.

Schemat eksperymentu LISA
Idea programu eLISA.

Właśnie miałem o to pytać. Kolejnym wielkim przedsięwzięciem nastawionym na poszukiwanie fal grawitacyjnych ma być eksperyment LISA, planowany na 2034 rok. Wiadomo coś o udziale polskich naukowców? Możemy się spodziewać angażu Adama Kutyni? 😉

O eLISIE już troszkę powiedziałem, ale tytułem uściślenia: LISA była wspólnym przedsięwzięciem ESA i NASA. Na skutek cięć budżetowych NASA wycofała się z projektu i obecnie projekt samodzielnie realizowany przez ESA nazywa się eLISA. Z tego co wiem, polscy naukowcy biorą udział w tym projekcie i przypuszczam że nie będzie to udział symboliczny – w końcu od roku płacimy już składki do ESA. Co do mojej przyszłości to na razie jestem związany z Virgo – w tej chwili mam grupę inżynierów realizujących kilka ciekawych projektów dla Virgo, które mam nadzieję, uda się skomercjalizować.

Jest wśród nich coś o czym może być głośno w mediach?

Jeśli już to w bardzo specjalistycznych 🙂

Bardzo dziękuję za rozmowę i życzę dalszych sukcesów.

Z Adamem Kutynią rozmawiał
Adam Adamczyk

50 ciekawostek na 50-lecie misji Apollo 11 Metodologiczny dekalog naukowca Test na ratunek Ziemi