Odkryto długo poszukiwane tło fal grawitacyjnych

Po raz pierwszy o falach grawitacyjnych wspomniał Albert Einstein w ogólnej teorii względności, opublikowanej w 1916 roku. Przewidział, że fale emitowane przez poruszające się z dużymi prędkościami obiekty o ogromnych masach rozchodzą się w czasoprzestrzeni, powodując jej odkształcenia, trochę jak fale na powierzchni wody. Ale pierwsza detekcja fal grawitacyjnych nastąpiła 99 lat później. Udało się je zarejestrować we wrześniu 2015 roku, jednak informację podano dopiero po dogłębnej analizie danych – w lutym 2016.

Pierwsze detekcje fal grawitacyjnych dokonano za pomocą detektorów naziemnych LIGO oraz Virgo. Dotyczyły zderzenia się dwóch czarnych dziur, ale w następnych latach odkryto fale pochodzące z kolizji gwiazd neutronowych. Astronomowie szacują, że zdarzeń, które powinny wywołać fale grawitacyjne w całym kosmosie jest mnóstwo i dochodzi do nich stosunkowo często. To oznacza, że takie fale nieustannie tworzą zmarszczki w czasoprzestrzeni i to właśnie one składają się na tzw. tło fal grawitacyjnych.

Teraz kilka zespołów naukowców poinformowało o odkryciu zmarszczek czasoprzestrzeni o niskiej częstotliwości, tzw. nano-hercowych fal grawitacyjnych. Odkrycia dokonano za pomocą śledzenia zmiany odległości między Ziemią a pulsarami w naszym galaktycznym sąsiedztwie. To pokazało, w jaki sposób przestrzeń pomiędzy dwoma obiektami jest rozciągana i ściskana przez przechodzące zmarszczki czasoprzestrzeni.

- Przez ostatnie 15 lat byliśmy na misji znalezienia szumu fal grawitacyjnych rozbrzmiewających w całym Wszechświecie i przemywających naszą galaktykę, aby zakrzywić czasoprzestrzeń w mierzalny sposób – mówi astrofizyk Stephen Taylor z Vanderbilt University, przewodniczący zespołu NANOGrav. - Z radością ogłaszamy, że nasza ciężka praca się opłaciła i… mamy ekscytujące dowody na to tło fal grawitacyjnych – dodaje.

Pulsary

Pulsary to niezwykle gęste gwiazdy neutronowe. Zawdzięczają swoją nazwę wiązkom fal radiowych, które emitują ze swoich biegunów magnetycznych. Wiązki te przemierzają przestrzeń w sposób przypominający latarnię morską. Niektóre obracają się setki razy na sekundę, inne nawet częściej. Ponieważ pulsary wirują z tak szaleńczą prędkością i regularnością, astronomowie mogą je wykorzystywać jako kosmiczny odpowiednik zegarów atomowych. Tak precyzyjne mierzenie czasu pomaga uczonym badać naturę czasoprzestrzeni i mierzyć masy obiektów gwiezdnych.

Pierwsza detekcja fal grawitacyjnych pochodziła ze zderzenia i połączenia dwóch czarnych dziur wielkości gwiazdy. Najbardziej prawdopodobnym źródłem najnowszego odkrycia jest połączony sygnał z wielu par znacznie większych czarnych dziur - miliony, a nawet miliardy masywniejszych od naszego Słońca. Odkryte fale są tysiące razy silniejsze i dłuższe niż te znalezione w 2015 roku, a ich długość sięga dziesiątek lat świetlnych. Z kolei zmarszczki wykryte od 2015 roku mają zaledwie dziesiątki lub setki kilometrów długości.

- Można powiedzieć, że Ziemia drga z powodu fal grawitacyjnych, które omiatają naszą Galaktykę” — mówi Scott Ransom, astrofizyk z amerykańskiego National Radio Astronomy Observatory zaangażowany również w prace NANOGrav.

Astronom zaznaczył, że zarówno on, jak i inne zespoły badaczy, nie są do końca pewni swoich odkryć. Każda grupa widziała wskazówki dotyczące oczekiwanej sygnatury fal grawitacyjnych, ale bez statystycznej pewności wskazującej na odkrycie. Naukowcy mówią o odkryciu, gdy wartość sigma wynosi pięć lub więcej. Sigma jest miarą pewności statystycznej. Sigma pięć oznacza, że prawdopodobieństwo, iż jest to jakieś przypadkowe zdarzenie, fluktuacje, zakłócenie, a nie prawdziwa obserwacja, wynosi 1:3500000. Badacze informujący o nowych odkryciach zgłosili wykrycie na poziomie od 3,5 do 4 sigma, co wskazuje na ponad 99 proc. pewność, że sygnał jest prawdziwy. Naukowcy połączą teraz swoje dane, aby sprawdzić, czy mogą wspólnie osiągnąć próg pięciu sigma.

- Jeśli to się potwierdzi, będziemy mieli pracy na 20 lat nad badaniem tego nowego tła - mówi Monica Colpi z Uniwersytetu w Mediolanie-Bicocca. - Zmusi to do pracy armię astrofizyków – dodaje.

Badania

Trzy zespoły naukowców zgłosiły podobne wyniki opierając się na analizie danych zbieranych przez dziesięciolecia dotyczących aktywności pulsarów. To północnoamerykańska grupa NANOGrav, European Pulsar Timing Array - przy udziale astronomów z Indii oraz Parkes Pulsar Timing Array w Australii. Z kolei czwarta grupa z Chin - Chinese Pulsar Timing Array – twierdzi, że znalazła podobny sygnał opierając się na danych tylko z trzech lat, a to dzięki wyjątkowej czułości teleskopu FAST.

Wyniki NANOGrav zostały opublikowane w pięciu artykułach „The Astrophysical Journal Letters”. Rezultaty badań europejskiego i indyjskiego zespołu ukażą się na łamach „Astronomy and Astrophysics”. Zespół z Australii wysłał swoje badania do „The Astrophysical Journal Letters” oraz „Publications of the Astronomical Society of Australia”. Z kolei Chińczycy opublikowali prace w „Research in Astronomy and Astrophysics”.

Każda z grup opierała się na nieco innym zestawie danych. NANOGrav monitorował najwięcej pulsarów. Z kolei zespół europejsko-indyjski analizował najdłużej zbierany zestaw danych, a australijski, jako jedyny obserwował pulsary na południowym niebie. - Jesteśmy pewni wyniku, ponieważ wszyscy widzimy to samo — mówi Michael Krame z Instytutu Radioastronomii im. Maxa Plancka.

Wszystkie grupy korzystały z czułych radioteleskopów do monitorowania pulsarów „milisekundowych”. Za każdym razem, gdy pulsar obraca się wokół własnej osi, jego wiązka radiowa wędruje w kierunku Ziemi i dalej. Są to emisje w regularnych odstępach czasu. Pulsary milisekundowe obracają się najszybciej, do kilkuset razy na sekundę.

- Możemy ich używać zasadniczo jako zegarów. Niewielkie zmiany czasu nadejścia sygnałów z pulsara mogą oznaczać, że przestrzeń między gwiazdą a Ziemią została zmieniona przez przejście fali grawitacyjnej - mówi Andrew Zic z Australia Telescope National Facility w Sydney.

Szum Wszechświata

Wnioski wyciągnięte z badania pojedynczego pulsara nie byłyby wystarczająco wiarygodne. Dlatego też każdy zespół monitorował dziesiątki tych gwiazd. Do tego badacze musieli wykluczyć wiele sygnałów potencjalnie zakłócających obserwowane źródła - zakłócenia radiowe pochodzące z technologii naziemnej i z satelitów, rozpraszanie wiązek radiowych z pulsara przez znajdujące się w jego otoczeniu obłoki gazu czy niewielkie przypadkowe zmiany w rotacji samych pulsarów.

Detektory LIGO i Virgo są wrażliwe na milisekundowe fale wytwarzane przez pojedyncze połączenia czarnych dziur czy gwiazd neutronowych o masach dziesiątek razy większych od Słońca. Wyniki uzyskane przez synchronizację sygnałów pochodzących z pulsarów reprezentują zamiast tego wiele fal, każda o długości lat lub dziesięcioleci, nakładających się na siebie w skumulowanym szumie tła. Każda fala jest generowana przez parę supermasywnych czarnych dziur gdzieś we Wszechświecie, których galaktyki macierzyste prawdopodobnie zderzyły się i połączyły.

- Wyobrażenie sobie, że Wszechświat jest szumiącym oceanem rozciągającej się i ściskającej przestrzeń jest niewiarygodne. Supermasywne czarne dziury to kosmiczne kolosy w sercach galaktyk, które żywią się gazem i zakłócają powstawanie gwiazd. Nie mogę się doczekać przyszłości, w której nasze obserwacje pulsarów ujawnią skomplikowaną mapę fal grawitacyjnych rozchodzących się od par supermasywnych czarnych dziur. Powinniśmy zobaczyć szum tła Wszechświata z określonymi „gorącymi punktami” fal grawitacyjnych z poszczególnych par supermasywnych czarnych dziur leżących w galaktykach, które możemy zidentyfikować – wyjaśnia Daniel Reardon z Swinburne University w Australii.

Źródło: Nature, Science, fot. Aurore Simonnet for the NANOGrav Collaboration/ CC BY 4.0