LIGO, Virgo i KAGRA: to była najbardziej owocna kampana obserwacyjna

Międzynarodowe konsorcjum LIGO-Virgo-KAGRA ogłosiło zakończenie czwartej kampanii obserwacyjnej (O4) pracującej wspólnie sieci detektorów fal grawitacyjnych. Rozpoczęta w maju 2023 roku kampania O4 kończy się po ponad dwuletnim okresie skoordynowanych obserwacji, podczas których równolegle prowadzono wstępną analizę danych. Oto przełomowe wnioski.

250 nowych detekcji

W kampanii obserwacyjnej wykryto około 250 nowych źródeł, które w sumie stanowią dużą część (ponad dwie trzecie) wszystkich 350 źródeł grawitacyjnych zarejestrowanych do tej pory przez instrumenty LIGO, Virgo i KAGRA. Wzrost liczby obserwowanych zdarzeń w każdej kolejnej kampanii wynika z ciągłego udoskonalania technologii detektorów i towarzyszącej jej zwiększenia ich czułości.

Obserwacje doprowadziły w ostatnich latach do nowych odkryć. Najważniejsze wyniki z ostatniego cyklu obserwacji zostały już ogłoszone i opublikowane, przyczyniając się do dalszego pogłębienia naszej wiedzy o naturze układów podwójnych obiektów zwartych oraz o niektórych fundamentalnych procesach fizycznych zachodzących we Wszechświecie.

Najciekawsze odkrycia

Analiza najciekawszych zjawisk zarejestrowanych podczas kampanii O4 przyniosła wiele istotnych wyników. Zacznijmy od rejestracji sygnału GW250114, która pozwoliła wykryć i zmierzyć z bezprecedensową dokładnością proces połączenie się dwóch czarnych dziur, dostarczając przy okazji obserwacyjnego potwierdzenia twierdzenia sformułowanego przez Stephena Hawkinga w 1971 roku, zgodnie z którym całkowita powierzchnia łączących się czarnych dziur nie może maleć. Podczas zderzenia czarne dziury tracą energię emitowaną w postaci fal grawitacyjnych, a jednocześnie mogą zwiększyć swój spin, czyli wewnętrzny moment pędu, co mogłoby zmniejszyć powierzchnię. Twierdzenie przewiduje jednak, że pomimo tych czynników połączona czarna dziura zawsze będzie miała większą powierzchnię niż suma powierzchni czarnych dziur sprzed zderzenia. W tym przypadku dwie początkowe czarne dziury miały łączną powierzchnię około 240 000 km², podczas gdy powierzchnia finalnej – powstałej po połączeniu – wynosiła około 400 000 km², co daje wyraźny wzrost.

Innym ważnym wynikiem opublikowanym w ostatnich miesiącach była pierwsza detekcja tak zwanych czarnych dziur „drugiej generacji” — zdarzeń oznaczonych odpowiednio GW241011 i GW241110, czyli mergerów (fuzji) dwóch czarnych dziur, w tym przypadku mających nietypowe masy i orientację spinów łączących się składników. Wyjaśnienie tych właściwości obserwacyjnych staje się prostsze, jeśli założymy, że biorące udział w fuzji czarne dziury same w sobie są już produktem wcześniejszych połączeń czarnych dziur. Byłyby to układy powstałe w niezwykle gęstych ośrodkach, takich jak gromady gwiazd, gdzie czarne dziury mają większe szanse na wielokrotne zderzenia i łączenie się.

Na ilustracji: Zdarzenie GW241011 – infografika (Publikacja Zespołu).

Na ilustracji: Zdarzenie GW241011 – infografika (Publikacja Zespołu).

Najbardziej masywny układ

Kolejna istotna detekcja, GW231123, dotyczy najbardziej masywnego układu łączących się czarnych dziur wykrytego do tej pory: końcowa czarna dziura ma masę ponad 225 mas Słońca. Jest to zdarzenie, które stanowi wyzwanie dla naszych obecnych modeli powstawania czarnych dziur.

Dwie łączące się czarne dziury miały masy odpowiednio około 100 i 140 razy większe niż masa Słońca. Oprócz dużej masy charakteryzowały się również szybką rotacją, co sprawiło, że wyemitowany przez układ sygnał był wyjątkowo trudny do interpretacji i sugerował możliwość złożonej historii formowania się tego układu. Odkrycie tak masywnego i szybko wirującego układu stanowi wyzwanie nie tylko dla naszych technik analizy danych, ale będzie miało w przyszłości ogromny wpływ na teoretyczne badania kanałów formowania się czarnych dziur i modelowanie fal grawitacyjnych. W rzeczywistości obecne modele ewolucji gwiazd nie dopuszczają istnienia tak masywnych czarnych dziur. Mogłyby jednak powstać w wyniku wcześniejszych połączeń mniejszych czarnych dziur.

Współpraca LIGO-Virgo-KAGRA

Naukowcy oczekują kolejnych ważnych wyników analizy pozostałych kilkuset źródeł fal grawitacyjnych zebranych w ostatnich dwóch latach. Obecnie są one szczegółowo badane, a ich pełny opis zostanie opublikowany w nadchodzących miesiącach w formie obszernego katalogu źródeł z kampanii O4. Interferometry LIGO, Virgo i KAGRA przygotowują się także do nowej fazy modernizacji i testów, które potrwają przez najbliższe lata. Modernizacje te będą prawdopodobnie wdrażane etapami, z przerwami na okresy zbierania danych. Następna kampania obserwacyjna ma rozpocząć się późnym latem lub wczesną jesienią 2026 roku i będzie prowadzona przez sześć miesięcy.

LIGO jest finansowane przez Narodową Fundację Nauki (NSF) i prowadzone przez Caltech oraz MIT. Wsparcie finansowe dla projektu Advanced LIGO było koordynowane przez NSF, przy czym Niemcy (Max Planck Society), Wielka Brytania (Science and Technology Facilities Council) oraz Australia (Australian Research Council) wniosły znaczący wkład w projekt. W prace zaangażowanych jest ponad 1600 naukowców z całego świata działających w ramach LIGO Scientific Collaboration, która obejmuje również GEO Collaboration. Dodatkowe instytucje członkowskie są wymienione na stronie projektu.

Konsorcjum Virgo liczy obecnie około 1000 członków reprezentujących ponad 150 instytucji z 15 różnych krajów, w tym uczonych z Polski, członków zespołu Virgo-Polgraw. Są w nim liczni astronomowie z CAMK, UW i UJ. Europejskie Obserwatorium Grawitacyjne (EGO), w którym znajduje się detektor Virgo w pobliżu Pizy we Włoszech, finansowane jest przez Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) we Francji, Narodowy Instytut Fizyki Jądrowej (INFN) we Włoszech, Narodowy Instytut Fizyki Subatomowej (Nikhef) w Niderlandach, The Research Foundation – Flanders (FWO) oraz Belgijski Fundusz Badań Naukowych (F.R.S.–FNRS) w Belgii. Polski wkład w projekt finansowany jest przez MNiSW.

Na ilustracji: Zjawiska koalescencji układów podwójnych czarnych dziur i gwiazd neutronowych wykryte w latach 2015–2024 (konsorcjum LVK).