Czytaj dalej

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

Autor
Adam Adamczyk

Adam Adamczyk

Naukowy totalitarysta. Jeśli nie chcesz aby wpadli do Ciebie naukowi bojówkarze, zostaw komentarz.