Badanie fal grawitacyjnych to młoda dziedzina nauki. Po raz pierwszy udało się je zarejestrować w 2015 r. Już w pierwszej rundzie obserwacyjnej prowadzonej z użyciem detektora LIGO wychwycono fale grawitacyjne przechodzące przez Ziemię. Fale grawitacyjne, czyli zmiany kształtu czasoprzestrzeni – falowanie kosmosu, którego źródłem było zlanie się dwóch czarnych dziur.
Połączyły się wówczas czarne dziury o masach 30 i 35 mas Słońca. Powstała czarna dziura miała masę odpowiadającą 62 masom Słońca. Trzy brakujące „słońca” to masa przekształcona w energię, która została wyemitowana w kosmos właśnie w postaci fal grawitacyjnych.
Od tamtej pory naukowcy regularnie rejestrują przenikające naszą planetę fale grawitacyjne. Ich źródłem są gwałtowne zdarzenia, do jakich dochodzi w różnych częściach Wszechświata. Może to być połączenie się czarnych dziur, ale też np. gwiazd neutronowych. Takie wydarzenie powodują specyficzne turbulencje grawitacji. Ich echem są właśnie fale rozchodzące się we wszystkich kierunkach po całej czasoprzestrzeni.
Co można wyczytać z fal grawitacyjnych
Jak często czarne dziury zlewają się ze sobą? Wydawałoby się, że do takich zdarzeń musi dochodzić rzadko – biorąc pod uwagę jak ogromny jest komos. A jednak obecnie obserwacje łączenia się czarnych dziur są rutynowe. Z pomocą LIGO wykrywa się je średnio raz w tygodniu.
Rejestracja fal grawitacyjnych pozwala odtworzyć, jak przebiega taki proces. W przypadku zdarzenia z 2015 r. został on dość dobrze poznany. „Dwie czarne dziury wykonywały wokół siebie ostatnie okrążenia, spadając po spirali w kierunku środka masy układu z coraz większą prędkością orbitalną” – opisuje w książce „Wszechświat. Biografia” astronom Paul Mudrin.
„Fale grawitacyjne przeniosły sygnał o częstotliwości zwiększającej się od 35 do 250 drgań na sekundę. Odpowiadał on szybkiemu zmniejszaniu się okresu orbitalnego zbliżających się do siebie czarnych dziur. W końcu oba obiekty zetknęły się i połączyły w jeden”.
Nowa czarna dziura
Opis ten dotyczy głównie „początkowych” czarnych dziur. To nie przypadek. Rejestrowane obecnie fale grawitacyjne zazwyczaj pochodzą od dwóch masywnych obiektów okrążających się po coraz ciaśniejszych orbitach. To, jak się zmieniają w czasie, pozwala wnioskować o ich masach. A także o masie czarnej dziury, która powstanie z ich połączenia.
Jednak dane z detektorów fal grawitacyjnych mogą nieść informacje nie tylko o obiektach istniejących na początku fuzji, ale również o finalnej czarnej dziurze. Zgodnie z pracą opublikowaną w czasopiśmie naukowym „Physical Review Letters” jest ona źródłem specyficznych grawitacyjnych wibracji, które badacze nazywają „dzwonieniem”. Owo „dzwonienie” zawiera informacje o tym, co się dzieje w ułamkach sekundy po połączeniu się dwóch czarnych dziur.
Odkrycie wykopane z dawnych danych
Naukowcy przyjrzeli się bliżej wydarzeniu oznaczonemu GW190521. Zaobserwowano je w maju 2019 r. z pomocą detektorów LIGO i mniejszego VIRGO. Przez Ziemię przeszły wówczas fale grawitacyjne, pochodzące ze zlania się czarnych dziur o masach odpowiednio 85 i 66 mas Słońca. Ich potomek – czarna dziura o masie 142 mas Słońca – była pierwszą potwierdzoną czarną dziurą o tzw. masie pośredniej.
Korzystając ze zgromadzonych wówczas danych fizyk Badri Krishnan z Uniwersytetu Radbound w Holandii wraz z zespołem spróbował dowiedzieć się jak najwięcej o powstałej czarnej dziurze. Udało się. Zaraz po zlaniu się, czarna dziura ma zakrzywiony, nieregularny kształt. W ciągu milisekund przybiera kształt sferyczny. Dopiero wówczas jest stabilna.
− W ten sam sposób, w jaki dzwon dzwoni z częstotliwościami określonymi przez jego kształt, stabilizująca się czarna dziura też „dzwoni”. Czyli emituje fale grawitacyjne o częstotliwościach określonych przez jej masę i spin – można przeczytać w artykule opisującym odkrycie na stronie Nature.com. Rejestracja „dzwonienia” pozwala więc wnioskować również na temat nowopowstałej czarnej dziury.
Co ciekawe, to może być dopiero początek nowych odkryć dotyczących GW190521. Zespół Krishnan analizuje dane pochodzące z tamtego wydarzenia. Częstotliwości „dzwonienia” wskazują, że finalna czarna dziura mogła mieć masę wynoszącą nawet 250 mas Słońca. Czyli znacznie więcej, niż szacowano pierwotnie.
Źródła: Nature.com, Physical Review Letters.
