– Otworzyliśmy nowe okno do obserwacji Wszechświata – mówi dr Chiara Mingarelli, naukowczyni z NANOGrav i Uniwersytetu Yale. Odkrycie ma związek z tajemniczymi i bardzo gwałtownymi zjawiskami.

Fale grawitacyjne – poruszająca się czasoprzestrzeń

Fale grawitacyjne to zmarszczki w czasoprzestrzeni, przewidziane przez ogólną teorię względności Einsteina. Wywołują je poruszające się z ogromnymi prędkościami obiekty o gigantycznych masach, takie jak czarne dziury. Istnienie fal grawitacyjnych zostało potwierdzone w 2015 roku. Wówczas po raz pierwszy zarejestrowano przechodzące przez Ziemię fale, których źródłem było zlanie się dwóch czarnych dziur.

Zarejestrowaliśmy wówczas połączenie się czarnych dziur o masach 30 i 35 mas Słońca. Powstała z nich nowa czarna dziura o masie 62 mas Słońca. Co stało się z brakującymi „trzema Słońcami”? Zostały przekształcone w energię i wyemitowane w kosmos właśnie w postaci fal grawitacyjnych.

Tło fal grawitacyjnych

Tamto zdarzenie zniekształciło przestrzeń, przez którą przechodziła fala. Czyli – skracało i wydłużało odległości między punktami w przestrzeni. Na Ziemi te zmiany były nie tylko niewyczuwalne, ale niemal niewykrywalne. Kiedy w 2015 r. „zmarszczka” czasoprzestrzeni spowodowana połączeniem się czarnych dziur dotarła do Ziemi, skróciła czterokilometrowe ramię detektora LIGO o jedną tysięczną średnicy protonu.

Odkrycie było spektakularne i zaowocowało Noblami z fizyki przyznanymi już w 2017 roku. W tym samym roku po raz pierwszy zarejestrowano fale grawitacyjne, których źródłem było inne zdarzenie kosmiczne: połączenie się dwóch gwiazd neutronowych.

Co istotne, w każdym z tych przypadków z pomocą naziemnych detektorów (takich jak LIGO i VIRGO) naukowcy obserwowali skutek jednego konkretnego kosmicznego wydarzenia. Jednak w całym kosmosie takich zdarzeń jest bardzo dużo. Szacuje się, że do zlewania się gwiazd neutronowych dochodzi co minutę.

A to oznacza, że w skali Wszechświata generowanych jest mnóstwo fal grawitacyjnych, nieustająco poruszających czasoprzestrzenią. Składają się one na tzw. tło fal grawitacyjnych. Można o nim pomyśleć jako o nieustającym drżeniu kosmosu.

Echo zderzenia supermasywnych czarnych dziur

To właśnie drżenie udało się po raz pierwszy zarejestrować. Po 15 latach gromadzenia danych naukowcy „usłyszeli” nieustanny chór fal grawitacyjnych, biegnących przez Wszechświat. Ów chór okazał się przy tym głośniejszy niż przewidywano. Prace naukowe na ten temat ukazały się w czasopiśmie „The Astrophysical Journal Letters”.

Przełomowego odkrycia dokonali m.in. naukowcy z North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav). Nowo wykryte fale grawitacyjne są najpotężniejsze z dotychczas zarejestrowanych. Przenoszą milion razy więcej energii niż te powstałe wskutek połączeń czarnych dziur i gwiazd neutronowych.

Tło tworzą fale grawitacyjne o bardzo niskiej częstotliwości, tzw. nanohercowe. Fale rejestrowane wcześniej przez detektory miały wyższą częstotliwość. Tymczasem pojedyncze wzniesienie się i opadnięcie fali nanohercowej może trwać lata, a nawet dekady. Ponieważ fale grawitacyjne poruszają się z prędkością światła, jedna taka oscylacja może mieć dziesiątki lat świetlnych długości.

Fale nanohercowe zarejestrował też zespół badaczy z Chin. Ich praca ukazała się w czasopiśmie naukowym „Research in Astronomy and Astrophysics”. Chińczycy wykorzystali do badań Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope (FAST).

Fale grawitacyjne są „głośniejsze” niż zakładano

Większość nanohercowych fal grawitacyjnych jest prawdopodobnie wytwarzana przez pary supermasywnych czarnych dziur. Te gigantyczne obiekty krążą wokół siebie, by w końcu zderzyć się podczas wielkiej kosmicznej katastrofy.

– Tło fal grawitacyjnych jest jak chór. Pary supermasywnych czarnych dziur nucą w nim na różnych częstotliwościach. To pierwszy w historii dowód na istnienie tła fal grawitacyjnych – mówi dr Chiara Mingarelli.

Na razie NANOGrav może mierzyć tylko ogólne tło fal grawitacyjnych, a nie głosy poszczególnych „śpiewaków” w tym kosmicznym chórze. Ale nawet te wstępne badania przyniosły niespodzianki. – Tło fal grawitacyjnych jest około dwa razy głośniejsze, niż się spodziewaliśmy — mówi dr Mingarelli. Może to wynikać z ograniczeń pomiarów lub z tego, że supermasywne czarne dziury są cięższe i liczniejsze niż sądzono.

Wiadomość z najmłodszego Wszechświata

Przyjmuje się, że tło fal grawitacyjnych ma dwie składowe. Jedna to opisane wyżej fale grawitacyjne, będące skutkiem interakcji czarnych dziur i gwiazd neutronowych. Druga zaś – znacznie bardziej tajemnicza – związana jest z początkiem Wszechświata. Według teorii Aleksieja Starobinskiego do powstania fal grawitacyjnych mogło dojść już w czasie Wielkiego Wybuchu.

Gdyby udało się zarejestrować te fale, otrzymalibyśmy obraz Wszechświata jeszcze starszy niż obraz zawarty w mikrofalowym promieniowaniu tła. Mikrofalowe promieniowanie tła zostało wyemitowane 380 tys. lat po Wielkim Wybuchu. Stanowi pozostałość po pierwszym świetle, jakie pojawiło się w kosmosie.

Innymi słowy – to najstarsze pewne dane o początkach Wszechświata, jakie mamy. Gdyby okazało się, że w kosmosie istnieje jeszcze starsze pierwotne tło fal grawitacyjnych i gdyby udało się je zarejestrować, byłaby to sensacja.

Poszukiwanie tła fal grawitacyjnych stanowo jedno z największych wyzwań astronomicznych. Naukowcy wykorzystują do tego sieć ziemskich detektorów i planują budowę nowych. Takich jak LISA, która ma zacząć działać w następnym dziesięcioleciu. To jednak tylko jeden ze sposobów wykrywania fal grawitacyjnych. Drugi związany jest z pulsarami.

Kosmiczne zegary bijące wiele razy na sekundę

Pulsary to szybko obracające się gwiazdy neutronowe, które – niczym kosmiczne latarnie – emitują wiązki promieniowania radiowego. Robią to niezwykle regularnie, przez co bywają określane zegarami astronomicznymi. Niektóre ze znanych trzech tysięcy pulsarów obracają się z dokładnością do milisekundy.

„Pulsary milisekundowe to rodzaj pulsarów, które obracają się kilkaset razy na sekundę i są tak niezawodne, jak najlepsze ziemskie zegary atomowe” – można przeczytać na stronie NANOGrav. „NANOGrav to eksperyment, polegający na obserwowaniu tego typu pulsarów w ciągu długich okresów i budowaniu modeli dokładnie przewidujących, kiedy pojawią się ich przyszłe impulsy”.

Ponieważ pulsary są tak dokładne, rejestrowanie ich aktywności pozwala badać nawet bardzo nieznaczne efekty astrofizyczne – takie właśnie jak fale grawitacyjne. Zaburzając czasoprzestrzeń, fale grawitacyjne skracają lub wydłużają drogę, po której poruszają sygnały wysyłane przez pulsary. A czym więcej pulsarów obserwują badacze, tym „pulsarowy detektor fal” staje się większy – pozwalając badać fale o niskich częstotliwościach.

NANOGrav zrzesza 190 naukowców z 70 instytucji na całym świecie. Współpracuje z podobnymi projektami w Australii, Europie i Indiach. Razem tworzą tzw. International Pulsar Timing Array. Naukowcy zaangażowani w projekt wierzą, że przed nimi kolejne odkrycia. Czy uda się zarejestrować tło fal grawitacyjnych z początków Wszechświata? Jeśli tak, być może uda się potwierdzić istnienie egzotycznych obiektów – tzw. jednowymiarowych kosmicznych strun. Na razie jednak musimy uzbroić się w cierpliwość.


Źródła: The Astrophysical Journal Letters, Research in Astronomy and Astrophysics, NANOgrav, University of Florida, ScienceAlert.