Wśród wielu opisywanych przez fizyków cząstek elementarnych można wymienić takie, które nazywamy hipotetycznymi. Nie wiadomo, czy istnieją, ponieważ nie zostały do tej pory zaobserwowane. Są jednak częścią wzorów, teoretycznych analiz naukowców, wypełniając brakujące, często „niewygodne” miejsca. Hipotetyczną cząstką elementarną jest m.in. grawiton, którego zadaniem miałoby być przenoszenie oddziaływań grawitacyjnych. O jego ciekawych właściwościach opowiada dr Aleksandra Piórkowska-Kurpas, astrofizyczka z Wydziału Nauk Ścisłych i Technicznych Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach.

Dr Aleksandra Piórkowska-Kurpas

Jeden wzór, by opisać wszystko

Jeśli chcemy zostawić nasze ziemskie problemy, warto użyć wyobraźni i pomyśleć o tym, jak duży jest Wszechświat. Ci, którzy wolą coś widzieć niż sobie wyobrażać, mogą obejrzeć łatwo dostępne wizualizacje pokazujące, jak nic nie znaczącą kropką jest nasza planeta z perspektywy wielkiego Kosmosu. Najpierw jestem ja, potem moje miasto, państwo, kontynent, wreszcie Ziemia. Przyspieszamy. Chwilę później widać Układ Słoneczny, a potem galaktykę zwaną Drogą Mleczną, która wraz z ponad 50 galaktycznymi sąsiadkami tworzy tzw. Grupę Lokalną, a to jeszcze nie koniec. Naukowcy szacują, że we Wszechświecie może być nawet 350 miliardów dużych galaktyk. Kosmiczna przestrzeń zdaje się nie mieć końca. Może zadziwiać, może też zatrważać.

Tam, gdzie zawodzi wyobraźnia, z pomocą przychodzi matematyka. Wszechświat można bowiem opisywać wzorami, a im prostszy układ cyfr, tym lepiej. Przekonuje o tym dr Aleksandra Piórkowska-Kurpas. Badaczka z Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach wykorzystała pomiary mas wybranych gromad galaktyk, aby opisać właściwości grawitonu, hipotetycznej cząstki elementarnej. Okazuje się, że obserwacja czegoś tak ogromnego może pomóc odpowiedzieć na jedno z fundamentalnych pytań o to, według jakich zasad działa Wszechświat. Do odpowiedzi przybliża fizyków poszukiwanie sposobów na unifikację modelu standardowego cząstek elementarnych z Ogólną Teorią Względności (OTW) Einsteina.

– Obie fantastycznie opisują naszą rzeczywistość. W modelu standardowym nie zostały jednak uwzględnione oddziaływania grawitacyjne, które są natomiast świetnie opisane w OTW. Wydaje się, że powinny przebiegać w taki sposób jak oddziaływania elektromagnetyczne. Te zachodzą poprzez wymianę fotonu między cząstkami posiadającymi ładunek elektromagnetyczny – wyjaśnia astrofizyczka.

Tymczasem grawitacja nie została skwantowana. Z opisu Einsteina wynika, że powstaje ona w wyniku zakrzywienia czasoprzestrzeni, a nie przez wymianę cząstek. Kluczowe pytanie brzmi więc, jak zunifikować te dwa podejścia, aby utrzymać obie teorie.

– Świętym Graalem fizyków jest jeden wzór, który opisuje wszystko. Pomysłów nie brakuje. Każda teoria musi jednak zostać potwierdzona eksperymentalnie – mówi badaczka.

Wiemy mniej, niż nam się wydaje

Jedna z teorii unifikujących zakłada, że istnieje cząstka stowarzyszona z oddziaływaniem grawitacyjnym. Ze względu na jego długodystansowy charakter przyjmuje się, że jest ona bezmasowa. Nazwano ją grawitonem.

– Aby zrozumieć, jakie ma właściwości, musimy przyjrzeć się całej zawartości Wszechświata – mówi dr Aleksandra Piórkowska-Kurpas.

Poza materią jest tam coś, co na pewno oddziałuje grawitacyjnie, ale nie oddziałuje elektromagnetycznie. To tzw. ciemna materia. Trzecim elementem jest ciemna energia powodująca ekspansję Wszechświata. Istnienie ciemnej materii w postaci sferycznego halo wokół galaktyk i gromad galaktyk zostało poparte licznymi obserwacjami ruchów gwiazd w galaktykach oraz galaktyk w gromadach. Obserwacje te wskazały, że gwiazdy oraz galaktyki poruszają się szybciej niż wskazywałaby na to masa pochodząca tylko z uwzględnienia materii świecącej. Potwierdziły to obserwacje soczewkowania grawitacyjnego, z których wynika, że ciemna materia stanowi około 24% całej zawartości materialnej Wszechświata.

Z kolei wnioski dotyczące istnienia ciemnej energii naukowcy wysnuwają w oparciu o analizy odległości obiektów we Wszechświecie.

Symulacja łączenia się czarnych dziur – zjawiska, które wytwarza jedne z najsilniejszych fal grawitacyjnych

– W ogóle mierzenie takich odległości jest bardzo ciekawym tematem. Naszym punktem odniesienia są np. supernowe typu 1a, nazywane świecami standardowymi. W momencie wybuchu emitują tyle energii, że ich blask porównywalny jest z blaskiem całej galaktyki. Dzięki temu widać je z dużych odległości i mogą służyć jako ich znaczniki. Właśnie w ten sposób udowodniono, że te ogromne obiekty oddalają się od siebie. To z kolei pozwoliło wysnuć wniosek o przyspieszającym rozszerzaniu się Wszechświata, a przełomowe odkrycie przyniosło trzem naukowcom Nagrodę Nobla. Mowa o Amerykanach Saulu Perlmutterim i Adamie G. Riessie oraz Australijczyku Brianie P. Schmidtowi – wyjaśnia badaczka.

Problem polegał jednak na tym, że trzeba było coś „włożyć” do równań Einsteina, aby utrzymać tezę o udowodnionej ekspansji Wszechświata. Obecnie najprostszym modelem wyjaśniającym obserwacje jest model ze stałą kosmologiczną Einsteina, która zachowuje się w równaniach jak czynnik antygrawitacyjny, a więc rozpychający czasoprzestrzeń.

– Dosyć zresztą znaczący, bo odpowiadający za pozostałe około 70% tego, co wypełnia Wszechświat, a o czym, jak już wspomniałam, nic nie wiemy – mówi astrofizyczka.

Jak waży się galaktyki i co z tego wynika

Naukowcy oczekują, że grawiton powinien być związany z falami grawitacyjnymi, podobnie jak foton, który jest związany z falami elektromagnetycznymi. Istnienie fal grawitacyjnych postulował już sam Einstein po odkryciu OTW. Przez wiele dekad próbowano zarejestrować ich sygnał w specjalnych detektorach. Niestety te wytwarzane przez ruchy mas Ziemi są praktycznie niemierzalne. Dlatego zainteresowanie fizyków wzbudziły odpowiednio duże, zwarte obiekty, takie jak czarne dziury lub gwiazdy neutronowe. Jeśli takie dwa obiekty się obiegają, ich silne pola grawitacyjne powodują dosyć duże zaburzenia czasoprzestrzeni. Dodatkowo, emitując fale grawitacyjne, układ traci energię, a promień orbity zacieśnia się. To z kolei przekłada się na charakterystyczny kształt sygnału fal grawitacyjnych, zwany przez badaczy świergotem.

– Dzięki specjalnym detektorom i katalogom sygnałów jesteśmy w stanie zarejestrować zaburzenia odległości rzędu tysięcznych części promienia protonu – mówi badaczka.

Co warte podkreślenia, fale grawitacyjne zostały po raz pierwszy zarejestrowane w detektorach LIGO dokładnie sto lat po ogłoszeniu OTW, w 2015 roku. Odkrycie to zostało uhonorowane Nagrodą Nobla w 2017 roku dla naukowców współtworzących projekt LIGO: Rainera Weissa, Barry’ego Barisha oraz Kipa Thorne’a.

Kolejny krok to potwierdzenie istnienia grawitonu, cząstki elementarnej, która miałaby przenosić oddziaływania grawitacyjne. Skoro mowa o oddziaływaniach dalekozasięgowych, należałoby przyjąć, że grawiton, podobnie jak foton, nie powinien mieć masy.

– Okazuje się, że kwestię tę można wyjaśnić poprzez obserwacje dynamicznych własności gromad galaktyk – przyznaje dr Aleksandra Piórkowska-Kurpas.

Wystarczy porównać ich masy wynikające z obserwacji z wartościami obliczonymi, przy założeniu, że masa grawitonu jest niezerowa. W tym celu astrofizyczka wybrała kilkanaście gromad galaktyk z tzw. próbki X-COP, dla których pomiary mas są wyjątkowo dokładne.

– Gromady galaktyk to największe skupiska materii we Wszechświecie. Obecny tam gaz elektronowy ma tak dużą energię, że wysyła fotony widoczne w zakresie promieniowania rentgenowskiego. Gdyby zatem obserwować je tylko w zakresie tego promieniowania, zobaczylibyśmy plamę rozgrzanego gazu, a także niezwykle wyraźne kontury wyznaczające granicę gromady. Na tej podstawie określamy rozkład temperaturowy, a to z kolei pozwala oszacować interesującą mnie masę – wyjaśnia badaczka.

Zaobserwowana różnica między obliczeniami teoretycznymi a opartymi na obserwacjach to maksymalna wartość artefaktu brakującego w tej układance.

– My zakładamy, że to może być właśnie masa grawitonów, która według nas nie powinna być większa niż 10-64 kg. Dla porównania elektron ma masę 10-31 kg – dodaje.

Otrzymane wyniki są jasnym sygnałem dla fizyków, że warto podążać tą drogą. Być może doprowadzi ich ona do potwierdzenia istnienia grawitonu. A to z kolei pozwoliłoby zunifikować model standardowy cząstek elementarnych z ogólną teorią względności Einsteina.