Detektory fal grawitacyjnych wykryły połączenie najmasywniejszych czarnych dziur, jakie zaobserwowano tą techniką
To odkrycie jest prawdziwym wyzwaniem dla obowiązujących astrofizycznych modeli ewolucji gwiazd. Trzy detektory fal grawitacyjnych, rozmieszczone w Europie, USA i w Japonii potwierdziły detekcję połączenia się czarnych dziur, które utworzyły obiekt o masie ponad 225 razy większej niż masa naszego Słońca.
Spis treści:
Trzy detektory fal grawitacyjnych – zbudowany w USA LIGO, znajdujący się nieopodal Pizy we Włoszech Virgo oraz japoński KAGRA – wykryły połączenie najmasywniejszych czarnych dziur, jakie kiedykolwiek zaobserwowano za pomocą fal grawitacyjnych. Sygnał tegoż połączenia, oznaczony jako GW231123, został zarejestrowany podczas czwartej serii obserwacji sieci LVK 23 listopada 2023 r. Jednak odkrycie to ogłoszono dopiero teraz ze względu na długotrwałe i precyzyjne analizy sygnału.
Masywny i wirujący układ
Czarne dziury, które zlały się ze sobą miały masę około 103 i 137 razy większą od masy Słońca. Oprócz dużej masy charakteryzują się one również szybką rotacją, co sprawia, że sygnał ten jest wyjątkowo trudny do interpretacji i sugeruje możliwość złożonej historii powstawania.
– Odkrycie tak masywnego i szybko wirującego układu stanowi wyzwanie nie tylko dla naszych technik analizy danych, ale będzie miało również znaczący wpływ na badania teoretyczne dotyczące kanałów powstawania czarnych dziur i modelowania fal przez wiele kolejnych lat. W rzeczywistości obecne modele ewolucji gwiazd nie pozwalają na istnienie tak masywnych czarnych dziur, które mogły powstać w wyniku wcześniejszych połączeń mniejszych czarnych dziur – mówi Ed Porter, badacz z laboratorium Astroparticle and Cosmology (APC) CNRS w Paryżu.
Zaobserwowano już około 100 połączeń czarnych dziur za pomocą fal grawitacyjnych, które zostały przeanalizowane i udostępnione szerszej społeczności naukowej. Do tej pory najbardziej masywną parą była para GW190521, której łączna masa była znacznie mniejsza i wynosiła „tylko” 140 razy więcej niż masa Słońca.
Zderzenia czarnych dziur
W jaki sposób detektory fal grawitacyjnych rejestrują takie zdarzenia? Zacznijmy od tego, czym są fale grawitacyjne. Ich istnienie wynika bezpośrednio z ogólnej teorii względności (OTW) Einsteina z 1915 roku. OTW opisuje grawitację nie jako siłę, ale jako zakrzywienie czasoprzestrzeni przez masę i energię. Albert Einstein przewidział, że jeżeli masy poruszają się w sposób przyspieszony (np. dwie krążące wokół siebie czarne dziury), to będą powodować zmarszczki w strukturze czasoprzestrzeni – czyli fale grawitacyjne.
Fale grawitacyjne rozchodzą się z prędkością światła, niosą energię i moment pędu. Bardzo słabo oddziałują z materią, co powoduje, że trudno je wykryć. Istnienie fal grawitacyjnych było jedną z najbardziej niezwykłych, a później potwierdzonych prognoz tej teorii, Pierwsza bezpośrednia detekcja fal grawitacyjnych nastąpiła w 2015 roku i została wyróżniona Nagrodą Nobla w 2017.
Detektor w kształcie L
Tej pierwszej detekcji dokonał amerykański system LIGO. Tylko jak wygląda i działa aparatura, zdolna zarejestrować tego typu zmarszczki? Przede wszystkim używa się do tego interferometru laserowego. Dwa prostopadłe ramiona (np. 4 km każde) tworzą literę „L”. W punkcie połączenia ramion umieszczony jest laser, który dzieli się na dwa promienie i biegnie wzdłuż ramion. Na końcach ramion są zawieszone swobodnie lustra. Promienie odbijają się od luster, wracają i spotykają się ponownie. Jeśli długość ramion się zmieni choćby o ułamek średnicy protonu, układ wykryje to jako interferencję – zmianę wzoru fal.
Ale skąd wiemy, co wywołało tę interferencję? Astrofizycy posiadają dokładne modele dla zderzeń czarnych dziur, gwiazd neutronowych itd. Jeśli dany sygnał pasuje do takiego modelu (np. dwóch czarnych dziur o masach 30 i 35 mas Słońca), można z dużym prawdopodobieństwem stwierdzić: „To było zderzenie czarnych dziur w odległości X miliardów lat świetlnych.”
Wirujące czarne dziury
Jednak to, co upubliczniły właśnie trzy światowe obserwatoria, przesuwa granice zarówno technologii wykrywania fal grawitacyjnych, jak i obecnych modeli teoretycznych. Aby uzyskać dokładne informacje z sygnału, konieczne było zastosowanie modeli teoretycznych uwzględniających złożoną dynamikę szybko wirujących czarnych dziur.
– To wydarzenie przesuwa granice możliwości naszych instrumentów i analizy danych do granic obecnego stanu wiedzy – twierdzi dr Sophie Bini, doktorantka w Caltech, wcześniej pracująca na Uniwersytecie w Trento. Dodaje, że jest to doskonały przykład tego, jak wiele możemy się nauczyć dzięki astronomii fal grawitacyjnych – i jak wiele jeszcze pozostaje do odkrycia.
– Dzięki najdłuższej jak dotąd serii nieprzerwanych obserwacji i zwiększonej czułości czwarta kampania obserwacyjna LIGO-Virgo-KAGRA dostarcza bezcennych nowych informacji, które pomagają nam lepiej zrozumieć Wszechświat – mówi Viola Sordini, badaczka z Instytutu Fizyki 2 Nieskończoności (IP2I) CNRS w Lyonie i zastępczyni rzecznika Virgo Collaboration. – To ekscytujące odkrycie otwiera nowy sezon wyników, a latem spodziewanych jest wiele kolejnych, a przez następne dwa lata – ciągły strumień nowych odkryć. Po publikacjach następuje udostępnienie danych, co wspiera szerszą społeczność naukową i otwartą naukę.
Źródło: EGO
Nasza autorka
Ewelina Zambrzycka-Kościelnicka
Dziennikarka i redaktorka zajmująca się tematyką popularnonaukową. Pisze przede wszystkim o eksploracji kosmosu, astronomii i historii. Związana z Centrum Badań Kosmicznych PAN oraz magazynami portali Gazeta.pl i Wp.pl. Ambasadorka Śląskiego Festiwalu Nauki. Współautorka książek „Człowiek istota kosmiczna”, „Kosmiczne wyzwania” i „Odważ się robić wielkie rzeczy”.