Międzynarodowa sieć detektorów LIGO–Virgo–KAGRA opublikowała nowy katalog fal grawitacyjnych, który więcej niż podwaja liczbę znanych zderzeń czarnych dziur i gwiazd neutronowych.
Kiedy w kosmosie zderzają się najgęstsze znane obiekty – czarne dziury i gwiazdy neutronowe – całe zdarzenie nie przypomina fajerwerków, ale raczej ciche trzęsienie samej czasoprzestrzeni. Powstają fale grawitacyjne, czyli delikatne zmarszczki w strukturze Wszechświata, które rozchodzą się przez setki milionów, a nawet miliardy lat, zanim dotrą do Ziemi.
Te niezwykle słabe sygnały rejestruje dziś międzynarodowa sieć obserwatoriów: amerykańskie detektory LIGO, włoski Virgo oraz japoński KAGRA. Ich sercem są olbrzymie interferometry laserowe w kształcie litery L, mierzące minimalne zmiany długości ramion spowodowane przejściem fali grawitacyjnej – mniejsze niż ułamek średnicy protonu.
Właśnie opublikowano najnowszą wersję katalogu takich zjawisk – GWTC‑4.0 – obejmującą pierwszą część czwartej kampanii obserwacyjnej sieci LIGO–Virgo–KAGRA, prowadzonej od maja 2023 r. do końca stycznia 2024 r. W tym czasie zarejestrowano 128 nowych kandydatów na fale grawitacyjne, pochodzących głównie ze zderzeń układów podwójnych czarnych dziur. To więcej niż podwaja wcześniejszy katalog, który zawierał 90 takich zdarzeń z lat 2015–2020.
Chlebem powszednim astronomii fal grawitacyjnych są dziś układy dwóch czarnych dziur o zbliżonych masach, z których każda ma masę zwykle kilkudziesięciu mas Słońca. Krążą one wokół siebie, stopniowo tracąc energię w postaci fal grawitacyjnych, aż w końcu gwałtownie łączą się w jedną, masywniejszą czarną dziurę. Nowy katalog pokazuje jednak, że Wszechświat jest pod tym względem znacznie bardziej różnorodny.
Wśród nowych sygnałów znajdują się zderzenia wyjątkowo ciężkich czarnych dziur, o masach sięgających ponad stu mas Słońca – znacznie powyżej typowych wartości. Takie obiekty mogą być drugim pokoleniem czarnych dziur, powstałym w wyniku wcześniejszych połączeń mniejszych par w gęstych gromadach gwiazd. W katalogu są też układy wyraźnie nierówne, w których jedna czarna dziura jest mniej więcej dwukrotnie masywniejsza od drugiej, oraz pary, w których obie składowe wirują wyjątkowo szybko. Wszystko to daje cenne wskazówki na temat tego, gdzie i jak powstają takie układy – czy rodzą się razem jako gwiazdy podwójne, czy raczej zbierają się przypadkowo w gęstych środowiskach.
Choć większość sygnałów pochodzi z czarnych dziur, w katalogu obecne są także zderzenia z udziałem gwiazd neutronowych. Gwiazda neutronowa to martwe jądro masywnej gwiazdy, upakowane tak gęsto, że łyżeczka jej materii ważyłaby na Ziemi miliardy ton. Gdy taka gwiazda zderzy się z czarną dziurą lub drugą gwiazdą neutronową, oprócz fal grawitacyjnych może pojawić się błysk promieniowania elektromagnetycznego – to szansa na połączenie słuchania kosmosu z jego oglądaniem w teleskopach.
Nowy katalog nie jest tylko listą pojedynczych przypadków, ale podstawą do statystycznego badania całej populacji takich układów we Wszechświecie. Dzięki setkom zarejestrowanych zderzeń można odtworzyć rozkład mas, częstości i odległości tych zdarzeń, a tym samym lepiej zrozumieć ewolucję masywnych gwiazd w różnych epokach kosmicznych.
Fale grawitacyjne stały się też narzędziem kosmologii. Z samego kształtu sygnału można oszacować odległość do źródła, a łącząc to z pomiarami prędkości oddalania się galaktyk, da się wyznaczyć tempo rozszerzania się Wszechświata, czyli tzw. stałą Hubble’a. Wykorzystanie całego katalogu LIGO–Virgo–KAGRA prowadzi do wartości rzędu 76 kilometrów na sekundę na megaparsek – uzyskanej zupełnie inną metodą niż w przypadku supernowych czy promieniowania tła.
Publikacji katalogu towarzyszy cały zestaw artykułów naukowych, opisujących metody analizy danych, własności populacji zderzających się układów oraz testy ogólnej teorii względności Einsteina w ekstremalnych warunkach. Współautorem wprowadzającej pracy, opisującej wersję 4.0 katalogu, jest m.in. dr Jerzy Kubisz z Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie, reprezentujący Wydział Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UJ. Łącznie na liście autorów znajduje się aż 1808 badaczy – członków współprac LIGO, Virgo i KAGRA.
Co ważne, dane obserwacyjne – przefiltrowane i odpowiednio opisane – trafiają do Gravitational Wave Open Science Center i są publicznie dostępne dla badaczy na całym świecie. Dzięki temu także polskie zespoły, takie jak grupa z UJ, mogą samodzielnie analizować sygnały i szukać w nich nowych efektów oraz zjawisk.
Czwarta kampania obserwacyjna wciąż trwa, a detektory są systematycznie udoskonalane, co zwiększa ich czułość i zasięg. Można więc oczekiwać, że kolejne wersje katalogu GWTC będą rosły jeszcze szybciej, odsłaniając coraz pełniejszy obraz ciemnego, falującego Wszechświata, którego nie da się zobaczyć, ale który da się usłyszeć w postaci drgań czasoprzestrzeni.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
- New catalog more than doubles the number of gravitational-wave detections made by LIGO, Virgo, and KAGRA observatories
- GWTC-4.0: An Introduction to Version 4.0 of the Gravitational-Wave Transient Catalog
- GWTC-4.0 : an introduction to version 4.0 of the Gravitational-Wave Transient Catalog
Na ilustracji: Gravitational-Wave Transient Catalog 4.0, przedstawiony na zdjęciu, to zapis kosmicznych fuzji wykrytych między 2015 a 2024 rokiem przez obserwatoria fal grawitacyjnych LIGO, Virgo i KAGRA. Każdy panel to sygnatura czasowa i częstotliwościowa pojedynczego zdarzenia – fuzji dwóch czarnych dziur, dwóch gwiazd neutronowych lub jednej z nich, gdzieś w kosmosie. Źródło: Ryan Nowicki / Bill Smith / Karan Jani
