Prosto do źródła:

globalna sieć detektorów LIGO-Virgo otwiera nową erę badań fal grawitacyjnych

obserwując łączenie się układu podwójnego czarnych dziur

Konsorcja Virgo Collaboration i LIGO Scientific Collaboration ogłaszają pierwszą wspólną detekcję fal grawitacyjnych, czwartą z kolei obserwację fal grawitacyjnych wytworzonych podczas łączenia się dwóch czarnych dziur, nazwaną GW170814. Ta ważna z powodu konsekwencji astrofizycznych detekcja jest jednocześnie pierwszym statystycznie istotnym sygnałem fali grawitacyjnej zarejestrowanym przez detektor Advanced Virgo, w pracach którego uczestniczy prof. Tomasz Bulik z Obserwatorium Astronomicznego UW. Odkrycie to ujawnia naukowy potencjał sieci złożonej z trzech, a nie dwóch jak do tej pory, detektorów fal grawitacyjnych, wyrażony przez lepszą lokalizację źródła fal grawitacyjnych na niebie i możliwość badania polaryzacji tych fal.

Widok z lotu ptaka detektora fal grawitacyjnych Advanced Virgo, położonego w Cascinie obok Pizy (Włochy). Advanced Virgo jest gigantycznym interferometrem laserowym o ramionach długości 3 km. (Nicola Baldocchi/ The Virgo collaboration).

Trzy detektory dokonały obserwacji 14 sierpnia 2017 o godz. 10:30:43 czasu UTC. Dwa amerykańskie detektory należące do Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO, Laserowe Interferometryczne Obserwatorium Fal Grawitacyjnych), położone w Livingston w stanie Louisiana i w Hanford w stanie Washington, oraz detektor Advanced Virgo zlokalizowany w Europejskim Obserwatorium Grawitacyjnym (EGO) w Cascinie w pobliżu Pizy we Włoszech, zarejestrowały fale grawitacyjne wytworzone w procesie łączenia się dwóch czarnych dziur o masach gwiazdowych. Odkrycie to opisano w artykule przyjętym do publikacji w czasopiśmie Physical Review Letters (treść artykułu można znaleźć na stronie https://dcc.ligo.org/P170814 lub https://tds.virgo-gw.eu/GW170814), zostało dokonane przez Virgo Collaboration oraz LIGO Scientific Collaboration, w skład którego wchodzą konsorcja GEO Collaboration i OzGrav.

Wspaniale jest zobaczyć pierwszy sygnał fali grawitacyjnej w naszym nowym detektorze Advanced Virgo i to zaledwie dwa tygodnie od momentu, gdy detektor zaczął oficjalnie zbierać dane, mówi Jo van den Brand z Nikhef i VU University Amsterdam, rzecznik konsorcjum Virgo Collaboration. To wielka nagroda za całą pracę włożoną w projekt Advanced Virgo, w ramach którego przeprowadzono trwającą sześć ostatnich lat modernizację detektora.

Zarejestrowane fale grawitacyjne – zmarszczki w przestrzeni i czasie – zostały wyemitowane w czasie ostatnich chwil przed połączeniem się dwóch czarnych dziur o masach około 31 i 25 mas Słońca i położonych w odległości ok. 1,8 mld lat świetlnych od nas. Nowo powstała rotująca czarna dziura ma masę około 53 mas Słońca, co oznacza, że w czasie łączenia się czarnych dziur masa odpowiadająca mniej więcej trzem masom Słońca została zamieniona w energię wyemitowanych fal grawitacyjnych.

To dopiero początek obserwacji wykonywanych przez sieć pracujących wspólnie detektorów Virgo i LIGO, mówi David Shoemaker z MIT, rzecznik konsorcjum LIGO Scientific Collaboration. W kolejnej kampanii obserwacyjnej planowanej na jesień 2018 spodziewamy się jednej lub więcej takich detekcji tygodniowo.

Detektor Advanced Virgo dołączył do kampanii obserwacyjnej O2 1 sierpnia 2017 roku o godzinie 10:00 czasu UTC. Nastąpiło to po zakończeniu jego wieloletniej oraz po miesiącach intensywnej pracy nad zwiększaniem jego czułości. Wykryty sygnał został zaobserwowany w czasie rzeczywistym w danych zebranych przez każdy z trzech detektorów projektów LIGO i Virgo. Chociaż detektor Advanced Virgo jest aktualnie mniej czuły od detektorów LIGO, dwa niezależne algorytmy stosowane do wykrywania sygnałów w danych wykorzystujące informacje gromadzone przez wszystkie trzy detektory, w jednoznaczny sposób pokazały, że dane zebrane przez detektor Advanced Virgo zawierają znaczący sygnał.

Warto podkreślić, że użycie trzech detektorów (zamiast dwóch) ponad 20-krotnie ogranicza objętość rejonu Wszechświata, w którym z dużym prawdopodobieństwem znajduje się źródło. Obszar na niebie, w którym z dużym prawdopodobieństwem znajduje się źródło sygnału GW170814, ma rozmiar tylko 60 stopni kwadratowych, czyli jest 10-krotnie mniejszy niż byłby, gdyby sygnał został wykryty tylko przez detektory LIGO. Udział detektora Advanced Virgo poprawia również dokładność, z jaką można wyznaczyć odległość do źródła sygnału. Możliwość lokalizacji źródła w mniejszej objętości jest bardzo ważna, ponieważ spodziewamy się, iż w czasie łączenia się niektórych układów zwartych obiektów – w szczególności zawierających gwiazdy neutronowe – będzie również wytwarzane, oprócz fal grawitacyjnych, promieniowanie elektromagnetyczne o szerokim widmie. Dokładna informacja o położeniu źródła na niebie umożliwiła 25 zespołom obserwacyjnym poszukiwanie sygnału elektromagnetycznego związanego z sygnałem zarejestrowanym przez LIGO i Virgo. Wynik tych poszukiwań był negatywny, zgodnie z tym czego się spodziewamy w przypadku procesu łączenia się czarnych dziur.

Lokalizacja źródła GW170814 na niebie.  Lewa część rysunku porównuje obszary na niebie wyznaczone przez różne stopnie analizy jako regiony największego prawdopodobieństwa zawierania pozycji sygnału – 90% obszary wiarygodności, definiowane w taki sposób, by prawdopodobieństwo znalezienia w nich źródła wynosiło 90%. Obszar niebieski odpowiada wczesnej szybkiej lokalizacji z użyciem danych dwóch detektorów LIGO, obszar pomarańczowy wyznaczeniu obszaru z użyciem dodatkowych danych Virgo (mniejszy o rząd wielkości od poprzedniego: 100 stopni kwadratowych w porównaniu do 1160 stopni kwadratowych). Zielony region jest wynikiem kompletnej analizy wyznaczenia parametrów, 80 stopni kwadratowych przy użyciu trzech detektorów, co można porównać do obszaru 700 stopni kwadratowych otrzymanych podczas tej samej analizy ale z użyciem tylko danych LIGO. Prawa strona rysunku przedstawia rozkłady prawdopodobieństwa odległości jasnościowej źródła. Udział Virgo zawęża rozkład i zmniejsza jego część odpowiadającą dużym odległościom.

Położenie detektora Advanced Virgo na Ziemi, pozwala na testowanie innych (w porównaniu z detektorem LIGO) przewidywań ogólnej teorii względności – w szczególności umożliwia badanie polaryzacji fal grawitacyjnych. Polaryzacja opisuje deformację czasoprzestrzeni przez falę grawitacyjną w każdym z trzech wzajemnie prostopadłych kierunków. Wstępna analiza sygnału GW170814 pozwala przetestować dwa skrajne przypadki: z jednej strony hipotezę, że fala ma jedynie polaryzację dopuszczoną przez ogólną teorię względności, z drugiej zaś strony przypuszczenie, że polaryzacja fali jest całkowicie niezgodna z tą teorią. Analiza danych pokazała, że przewidywania teorii Einsteina są zgodne z obserwacjami. Przez wiele lat członkowie konsorcjów Virgo Collaboration i LSC wspólnie analizowali dane, by wydobyć cenne informacje z zarejestrowanego sygnału. Jednoczesne obserwacje prowadzone przez trzy detektory otwierają nowe możliwości, pozwalając na przeprowadzenie dalszych fundamentalnych testów przewidywań teoretycznych, mówi Fréderique Marion, doświadczona badaczka z LAPP w Annecy we Francji. Inne testy ogólnej teorii względności przeprowadzone dzięki poprzednim odkryciom również pokazują bardzo dobrą zgodność obserwacji z ogólną teorią względności.