Fale grawitacyjne zarejestrowane po raz trzeci!

Fale grawitacyjne, niewielkie zaburzenia czasoprzestrzeni o wielkim znaczeniu, zostały wykryte w sposób bezpośredni po raz trzeci. Odkrycie potwierdza istnienie nieznanej do tej pory populacji czarnych dziur o masach gwiazdowych.

Podobnie jak w przypadku dwóch poprzednich detekcji, również i tym razem zarejestrowane fale powstały w wyniku połączenia się dwóch czarnych dziur, których masy oszacowano na 31 i 19 mas Słońca.  W procesie tym powstała wirująca czarna dziura o masie około 49 razy większej od masy Słońca – wartość ta znajduje się pomiędzy wartościami mas finalnych czarnych dziur, równych 21 i 62 masom Słońca, powstałych w wyniku zdarzeń zarejestrowanych w 2015 roku. Nowo powstała czarna dziura jest oddalona od Ziemi o około 3 miliardy lat świetlnych.

W każdym z tych trzech zdarzeń, tuż przed połączeniem się czarnych dziur emitowane są fale grawitacyjne o mocy przewyższającej moc promieniowania elektromagnetycznego wszystkich gwiazd i galaktyk znajdujących się w obserwowalnym Wszechświecie.

Najnowsze odkrycie zostało opisane w czasopiśmie Physical Review Letters. Miało ono miejsce podczas trwającej właśnie kampanii obserwacyjnej (rozpoczętej 30 listopada 2016 r.) dwóch amerykańskich detektorów Advanced LIGO znajdujących się w Hanford (stan Waszyngton) i Livingston (stan Luizjana). Kampania obserwacyjna będzie kontynuowana do lata bieżącego roku, kiedy to zbieranie naukowo wartościowych danych rozpocznie europejski detektor Advanced Virgo (znajdujący się niedaleko Pizy we Włoszech). Detektor Advanced Virgo został pomyślnie uruchomiony w pierwszym tygodniu maja br. Po dołączeniu detektora Advanced Virgo do dwóch istniejących – Advanced LIGO, powstanie sieć trzech detektorów, która umożliwi rejestrację słabszych fal grawitacyjnych i bardziej precyzyjny pomiar parametrów źródeł generujących te fale.

Trzecia detekcja fal grawitacyjnych miała miejsce 4 stycznia 2017 roku, sygnał z nią związany nazwano GW170104. Został on poddany starannej analizie przez zespoły naukowe projektów LIGO i Virgo składające się 1200 badaczy z ponad 100 instytucji naukowych znajdujących się na czterech kontynentach. Te same zespoły we wrześniu 2015 roku doprowadziły do pierwszej w historii bezpośredniej detekcji fal grawitacyjnych, a kilka miesięcy później udało im się je zarejestrować po raz drugi.

„Dzięki tej trzeciej detekcji potwierdzamy istnienie nieoczekiwanej populacji czarnych dziur o masach większych niż 20 mas Słońca” – mówi Jo van den Brand z Nikhef i VU University Amsterdam, rzecznik międzynarodowego zespołu Virgo, składającego się z ponad 280 naukowców, prowadzącego wspólnie z zespołem LIGO analizę danych – „Wspólna praca zespołów LIGO i Virgo umożliwiła obserwację tych niesamowitych wydarzeń, które nastąpiły miliardy lat temu”.

Najnowsza obserwacja wywołała też żywą dyskusję dotyczącą położenia w przestrzeni osi obrotu, wokół których czarne dziury wirują zbliżając się do siebie. Czarne dziury mogą obracać się wokół osi dowolnie zorientowanych względem siebie oraz płaszczyzny, w której leżą ich orbity. Jest to podobne do pary łyżwiarzy, którzy krążą wokół siebie, wykonując jednocześnie piruety – obroty wokół własnych osi.

Analiza danych niestety nie jest w stanie w obecnej chwili dostarczyć definitywnej odpowiedzi na pytanie czy zderzające się czarne dziury rotowały, czy nie. Jeżeli ich rotacja byłaby dość szybka, oznaczałoby to, że oś obrotu przynajmniej jednej z czarnych dziur nie jest prostopadła do płaszczyzny orbity, co może dać w przyszłości wskazówki dotyczące tego, jak ta para czarnych dziur powstała. Na takie rewelacje będziemy jednak musieli zaczekać, aż LIGO naprawde zmierzy rotacje i nachylenia osi zderzających się czarnych dziur.

Wśród naukowców pracujących przy detektorze Virgo znajduje się polska grupa POLGRAW. W jej skład wchodzą badacze z Instytutu Matematycznego PAN, Centrum Astronomicznego im. Mikołaja Kopernika PAN, Narodowego Centrum Badań Jądrowych, Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie, a także Uniwersytetów: w Białymstoku, Jagiellońskiego w Krakowie, Mikołaja Kopernika w Toruniu, Warszawskiego, Wrocławskiego i Zielonogórskiego.

„Naszym zadaniem była analiza danych uzyskanych z amerykańskich detektorów LIGO, prowadzenie badań źródeł astrofizycznych fal grawitacyjnych, opracowywanie teoretycznych modeli sygnałów fal grawitacyjnych oraz udział w rozbudowie detektora Virgo” – mówi prof. dr hab. Andrzej Królak z Instytutu Matematycznego PAN oraz Narodowego Centrum Badań Jądrowych, członek zarządu projektu Virgo.

Polacy stworzyli podstawy wielu algorytmów i metod służących do wykrywania i oszacowania parametrów fal grawitacyjnych z układów podwójnych (prof. dr hab. Andrzej Królak, prof. dr hab. Piotr Jaranowski), przyczynili się do precyzyjnego modelowania sygnału fali grawitacyjnej z układu podwójnego (prof. dr hab. Piotr Jaranowski, prof. dr hab. Andrzej Królak), przeprowadzili symulacje pokazujące, że układy podwójne czarnych dziur są najlepiej wykrywalnymi przez detektory LIGO-Virgo źródłami promieniowania grawitacyjnego (prof. dr hab. Krzysztof Belczyński, prof. dr hab. Tomasz Bulik), badali astrofizyczne własności układów podwójnych (dr hab. Michał Bejger, dr Izabela Kowalska-Leszczyńska, dr hab. Dorota Rosińska) oraz poszukiwali mogących towarzyszyć zdarzeniu błysków optycznych (dr Adam Zadrożny).