Dodano: 09 listopad 2021r.

Astronomowie wykryli rekordową liczbę fal grawitacyjnych

Naukowcy poinformowali o wykryciu 35 sygnałów fal grawitacyjnych, zwiększając łącznie liczbę podobnych detekcji do 90. Odkrycia te mogą pomóc rozwiązać niektóre z najbardziej złożonych zagadek Wszechświata oraz rzucić nieco więcej światła na jego ewolucję oraz na życie i śmierć gwiazd.

Astronomowie wykryli rekordową liczbę fal grawitacyjnych

 

Pierwsze fale grawitacyjne zarejestrowano we wrześniu 2015 roku, choć o odkryciu poinformowano dopiero w lutym 2016 r., ze względu na czas potrzebny do analizy danych i upewnienia się, że to faktycznie fale grawitacyjne. Od tamtej pory potwierdzono już dziesiątki podobnych detekcji. Teraz naukowcy pochwalili się wykryciem kolejnych „zmarszczek czasoprzestrzeni”. Od listopada 2019 r. do marca 2020 r., interferometry LIGO i Virgo zarejestrowały aż 35 sygnałów fal grawitacyjnych. Z wynikami badań można zapoznać się w bazie pre-printów ArXiv.

Tsunami fal grawitacyjnych

Nowe odkrycia pochodzą z wydarzeń kosmicznych w większości oddalonych o miliardy lat świetlnych. Te 35 nowych zdarzeń obejmuje cały zakres mas źródeł fal grawitacyjnych.32 z 35 zarejestrowanych sygnałów pochodzi, jak sądzą naukowcy, najprawdopodobniej z kolizji czarnych dziur. Dwa wiązały się z rzadszym zdarzeniem, jakim jest zderzenie czarnej dziury i gwiazdy neutronowej. Jeśli chodzi o ostatnie, to badacze nie mają pewności, jaki dokładnie rodzaj obiektów wywołał fale grawitacyjne, ale najprawdopodobniej jednym z nich była to niezwykle mała czarna dziura.

Nowe odkrycia oznaczają, że od 2015 r. naukowcy łącznie zarejestrowali 90 sygnałów fal grawitacyjnych.

Kolizja tak masywnych obiektów, jak czarne dziury czy gwiazdy neutronowe, wysyła w przestrzeń kosmiczną fale grawitacyjne, podobne do fal powstających po wrzuceniu kamienia do jeziora. Astronomowie mogą analizować te „zmarszczki czasoprzestrzeni”, aby określić właściwości obiektów, które je wywołały. Chociażby jedno z wykrytych zdarzeń dotyczyło czarnej dziury o masie 87 mas Słońca, która zderzyła się z czarną dziurą o masie 61 mas Słońca. W ten sposób powstał obiekt o masie 141 mas Słońca.

Profesor Susan Scott z Australian National University (ANU) przyznała, że najnowsze odkrycia reprezentują prawdziwe „tsunami” i są „dużym krokiem naprzód w naszych poszukiwaniach odkrycia tajemnic ewolucji Wszechświata”. - Odkrycia te oznaczają dziesięciokrotny wzrost liczby fal grawitacyjnych wykrytych przez LIGO i Virgo od czasu, gdy rozpoczęły obserwacje. Wykryliśmy 35 zdarzeń. To ogromna liczba. Podczas naszej pierwszej kampanii obserwacyjnej, która trwała cztery miesiące w latach 2015–2016, zarejestrowaliśmy tylko trzy detekcje – podkreśliła uczona. - To naprawdę nowa era w wykrywaniu fal grawitacyjnych. Nowe odkrycia ujawniają wiele informacji na temat życia i śmierci gwiazd w całym Wszechświecie – dodała.

Nowe możliwości

Ciągłe ulepszanie czułości detektorów fal grawitacyjnych pomaga w zwiększaniu wykrywalności tych zdarzeń. - Nowa technologia pozwala nam obserwować więcej fal grawitacyjnych niż kiedykolwiek wcześniej – zaznaczyła prof. Scott.

Ale jest coś jeszcze. Kiedy umierają najbardziej masywne gwiazdy, zapadają się pod wpływem własnej grawitacji i pozostawiają po sobie czarne dziury. Gdy umierają nieco mniej masywne gwiazdy, wybuchają w supernowych i pozostawiają gęste, martwe szczątki zwane gwiazdami neutronowymi. Przez lata astronomowie starali się rozwiązać zagadkę luki w masach między gwiazdami neutronowymi a czarnymi dziurami. Najcięższa znana gwiazda neutronowa ma nie więcej niż 2,5 masy naszego Słońca, a najlżejsza znana czarna dziura ma około 5 mas Słońca. Pozostawało pytanie, czy jest coś o masie między 2,5 a około 5 mas naszego Słońca?

W najnowszych detekcjach są zdarzenia wydające się wypełniać lukę w masach obserwowanych czarnych dziur. Jedno z nich, jak wskazują badacze, obejmowało kolizje obiektu o masie 2,8 mas Słońca. Astronomowie doszli do wniosku, że jest to prawdopodobnie bardzo mała czarna dziura, choć nie mogą wykluczyć bardzo ciężkiej gwiazdy neutronowej. Inną niezwykle ciekawą detekcją jest sygnał wskazujący na kolizję czarnej dziury o masie 33 mas Słońca z bardzo małą gwiazdą neutronową o masie około 1,17 masy Słońca. Jest to jedna z najmniej masywnych gwiazd neutronowych, jakie kiedykolwiek zaobserwowano.

- Inną naprawdę ekscytującą rzeczą w ciągłej poprawie czułości detektorów fal grawitacyjnych jest to, że wprowadzi to do gry zupełnie nowy zakres źródeł fal grawitacyjnych, z których część będzie nieoczekiwana – oceniła prof. Scott.

Nowe tajemnice zastępują stare zagadki

Uczeni zastanawiają się, czy systemy, z których pochodzą fale grawitacyjne, uformowały się jako układy podwójne gwiazd, które przeszły razem swoje cykle życiowe i ostatecznie stały się czarnymi dziurami? A może dwie czarne dziury zostały zepchnięte w bardzo dynamiczne środowisko, takie jak centrum galaktyki?

- Dopiero teraz zaczynamy doceniać cudowną różnorodność czarnych dziur i gwiazd neutronowych – powiedział Christopher Berry z Uniwersytetu Glasgow w Wielkiej Brytanii. - Nasze najnowsze wyniki dowodzą, że występują one w wielu rozmiarach i kombinacjach. Rozwiązaliśmy kilka dawnych zagadek, ale także odkryliśmy nowe. Dzięki tym obserwacjom jesteśmy bliżej odkrycia tajemnic tego, jak gwiazdy, cegiełki naszego Wszechświat, ewoluują - dodał.

LIGO, Virgo i KAGRA

Obserwatoria LIGO - zlokalizowane w USA - i Virgo - znajdujące się we Włoszech - są obecnie wyłączone i przechodzą modernizacje w ramach przygotowań do czwartej serii obserwacyjnej. Do tego grona w przyszłym roku ma dołączyć japońskie obserwatorium KAGRA.

Obserwatoria LIGO, które zostały sfinansowane przez NSF, zostały zaprojektowane, zbudowane i są zarządzane przez instytuty w Caltech i MIT. Detektor Virgo, położony w pobliżu Pizy we Włoszech, jest finansowany przez Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) we Włoszech oraz Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) we Francji, i jest zarządzany przez Europejskie Obserwatorium Grawitacyjne (EGO). W LIGO Scientific Collaboration i Virgo Collaboration pracuje ok. 1500 naukowców, którzy wspólnie obsługują detektory oraz przetwarzają i analizują zbierane przez nie dane.

W pracach Virgo uczestniczy polska grupa uczonych PolGraw skupiająca naukowców z ośmiu jednostek badawczych. 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. Polscy naukowcy tworzą między innymi algorytmy do analizy danych, budują elementy elektroniki, prowadzą analizę szumów.

- Okazuje się, że świat fal grawitacyjnych jest niesamowicie ekscytujący – powiedziała Maya Fishbach z NASA. - Nasze zmodernizowane detektory będą w stanie wychwycić słabsze sygnały, w tym pochodzące z czarnych dziur i gwiazd neutronowych, które zderzyły się znacznie dalej, z sygnałami sprzed miliardów lat. Nie mogę się doczekać, aby odkryć, co jeszcze tam jest – dodała.

 

Źródło: Science Alert, Australian National University, fot. NASA