Po raz trzeci wykryto fale grawitacyjne!

Nowe okno obserwacyjne astronomii jest już na dobre otwarte, bowiem po raz trzeci udało się dokonać detekcji fal grawitacyjnych. Dokonano tego dzięki amerykańskiemu obserwatorium LIGO. O odkryciu informują Caltech, MIT, a także polskie instytuty, w tym grupa POLGRAW. W pracach wzięło udział dziewięcioro polskich naukowców.

Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO), taką nazwę nosi amerykańskie obserwatorium fal grawitacyjnych. To dzięki jego obserwacjom naukowcom udało się już po raz trzeci wykryć fale grawitacyjne. Ponownie były to fale grawitacyjne wygenerowane przy połączeniu się dwóch czarnych dziur.

Fale grawitacyjne, czyli zmarszczki czasoprzestrzeni, są przewidywane przez ogólną teorię względności Einsteina. Powinny być emitowane przez obiekty, które poruszają się z przyspieszeniem. Jednak abyśmy byli w stanie je wykryć, potrzebne są bardzo duże masy i bardzo duże przyspieszenia. Te cechy spełniają np. układy podwójne czarnych dziur, dlatego nie jest zaskoczeniem rodzaj obiektów przy których udało się wykryć fale grawitacyjne.

Pierwsza, historyczna detekcja fal grawitacyjnych nastąpiła we wrześniu 2015 r. Świat dowiedział się o niej w lutym 2016 r., gdy ogłoszono wyniki analiz. Druga detekcja nastąpiła w grudniu 2015 r. W obu przypadkach połączyły się ze sobą dwie czarne dziury, tworząc nową, masywniejszą, mającą odpowiednio 62 masy Słońca i 21 mas Słońca.

Trzecia detekcja również dotyczy złączenia  się dwóch czarnych dziur (mergera). Tym razem powstała w ten sposób nowa czarna dziura ma masę 49 mas Słońca. Odkrycia dokonano w ramach trwającej obecnie rundy obserwacyjnej LIGO, trwającej od 30 listopada 2016 r. do lata 2017 r. Zjawisko oznaczone jako GW170104 zarejestrowano 4 stycznia 2017 r. Wiemy, że nastąpiło w odległości aż 3 miliardów lat świetlnych od Ziemi, czyli mniej więcej dwukrotnie dalej niż dwa poprzednie (odpowiednio 1,3 mld i 1,4 mld lat świetlnych).


Rekonstrukcja sygnałów fal grawitacyjnych wykrytych przez LIGO. Pokazano trzy pewne detekcje i jedną przypuszczalną (LVT151012). Źródło: LIGO/B. Farr (U. Chicago).


Porównanie czarnych dziur o znanych masach. Źródło: LIGO/Caltech/Sonoma State (Aurore Simonnet).

Przy połączeniu się czarnych dziur wydzielana jest bardzo wielka energia. Energia wyzwolona w postaci fal grawitacyjnych przewyższała całą energię promieniowania elektromagnetyczne od wszystkich gwiazd i galaktyk we Wszechświecie w tym krótkim ułamku sekundy.

Jaką wiedzę może nam przynieść analiza rejestrowanych fal grawitacyjnych od połączenia się dwóch czarnych dziur? Przede wszystkim jest to pole dla testów ogólnej teorii względności Einsteina. Dzięki kilku przypadkom można sprawdzić jej przewidywania w różnym zakresie. Naukowcy mają nadzieję, że dalsze badania pomogą w sprawdzeniu czy światło ulega dyspersji oraz czy fale grawitacyjne faktycznie rozchodzą się z prędkością światła. Można też uzyskać ograniczenia dla modelów populacji gwiazd, których powstają czarne dziury. Im więcej zaobserwowanych przypadków, tym lepiej można to ustalić. A także określić jakie konkretnie warunki muszą być spełnione, aby doszło do powstawania pary czarnych dziur.

Detekcja fal grawitacyjnych GW170104 wskazuje, że przynajmniej jedna z czarnych dziur tej pracy nie obracała się dookoła swojej osi zgodnie z ruchem orbitalnym. Jest to z godne z jednym z dwóch głównych modeli opisujących powstawanie układu podwójnego czarnych dziur. Czarne dziury mogą nie powstawać w parach, tylko łączyć się w nie dopiero po jakimś czasie, gdy np. przebywają w zatłoczonej gromadzie gwiazd i przemieszczają się w kierunku centrum gromady. Wtedy kierunki obrotu czarnych dziur dookoła swojej osi mogą być dowolne względem kierunku ruchu orbitalnego. Wnioski z najnowszej detekcji fal grawitacyjnych są zgodnie z tą hipotezą. Konkurencyjna teoria zakłada, iż czarne dziury powstają razem, gdy gwiazdy układu podwójnego kończą swoją ewolucję i zapadają się do czarnych dziur. W tedy kierunki obrotu dookoła swojej osi i kierunki ruchu orbitalnego takie jak gwiazdowych poprzedniczek czarnych dziur, a więc zapewne zgodne ze sobą. Oczywiście wskazania pojedynczej detekcji nie przesądzają sprawy i potrzebne są kolejne obserwacje.

Projekt LIGO prowadzony jest przez Amerykanów we współpracy z naukowcami z całego świata. Zaangażowanych jest ponad tysiąc naukowców, w tym Polacy, skupieni w grupie POLGRAW. LIGO posiada dwa obserwatoria w Stanach Zjednoczonych (Hanford i Livingston), a ich europejskim odpowiednikiem jest obserwatorium Virgo we Włoszech (niedaleko Pizy). Obserwacje LIGO zaczęły się w 2002 roku i trwały do 2010. Jednak nie odnotowano wtedy sukcesu. Dopiero po ulepszeniu możliwości detekcyjnych i rozpoczęciu ponownych obserwacji w w 2015 r. udało się wykryć fale grawitacyjne. Planowane są dalsze ulepszenia detektorów, a następna sesja obserwacyjna ma zacząć się w 2018 r.

Oto lista polskich współautorów publikacji w „Physical Review Letters”, w której opisano trzecią detekcję fal grawitacyjnych: Michał Bejger (CAMK PAN), Tomasz Bulik (OA UW), Andrzej Królak (IM PAN), Izabela Kowalska-Leszczyńska (OA UW), Adam Kutynia (NCBJ), Dorota Rosińska (IA UZ), Piotr Jaranowski (Uniwersytet w Białymstoku), Magdalena Sieniawska (CAMK PAN), Adam Zadrożny (NCBJ).

Warto też wspomnieć o programie do obliczeń rozproszonych Einstein@Home, który jest związany z projektem LIGO i poszukiwaniami fal grawitacyjnych. Każdy chętny może dzięki niemu włączyć się w badania fal grawitacyjnych, po prostu instalując aplikację na swoim komputerze i smartfonie. Aplikacja będzie dokonywać obliczeń w tle lub używając procesora wtedy gdy komputer nie jest używany do codziennej pracy.