LIGO i Virgo to detektory fal grawitacyjnych, czyli drgań samej czasoprzestrzeni. Istnienie takich fal przewidziała sto lat wcześniej ogólna teoria względności Alberta Einsteina. W 2016 roku międzynarodowy zespół badaczy ogłosił pierwsze wykrycie fal grawitacyjnych przez oba detektory.
Fale grawitacyjne powstają w wyniku zderzeń bardzo masywnych obiektów, na przykład czarnych dziur i gwiazd neutronowych. Przez ostatnie pięć lat obserwacji fal grawitacyjnych zarejestrowano już dwadzieścia. Dziś w „Astrophysical Journal Letters” naukowcy z amerykańskiego zespołu LIGO, europejskiego Virgo i działającego od niedawna japońskiego KAGRA ogłaszają, że zaobserwowano kolejne dwa takie zdarzenia. Były jednak inne niż poprzednie.
Jako GW200105 określono zderzenie czarnej dziury o masie około 8,9 mas Słońca z gwiazdą neutronową o masie 1,9 mas naszej gwiazdy. GW200115 zaś to zderzenie czarnej dziury o masie 5,7 mas Słońca z gwiazdą neutronową o masie 1,5 słonecznej. Zderzenia miały miejsca odpowiednio 900 milionów i miliard lat temu, a fale grawitacyjne dotarły do nas w styczniu ubiegłego roku.
– Od momentu pierwszej spektakularnej detekcji fal grawitacyjnych z koalescencji dwóch czarnych dziur, GW150914, za którą została przyznana nagroda Nobla w 2017, zarejestrowaliśmy sygnały z 50 układów podwójnych obiektów zwartych, ale były to wyłącznie pary łączących się czarnych dziur lub gwiazd neutronowych. Długo wyczekiwane odkrycie układów podwójnych gwiazdy neutronowej z czarną dziurą rzuca światło na narodziny, życie i śmierć gwiazd, jak również na otoczenie, w którym powstały – komentuje prof. Dorota Rosińska z Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Warszawskiego. Uczeni z tej placówki brali udział w badaniach.
Czarne dziury połykają gwiazdy neutronowe w całości
„Zderzenie” nie jest tu dobrym słowem. Czarne dziury są obiektami o masie skoncentrowanej w tak niewielkiej objętości, że siła grawitacji w ich pobliżu jest niezwykle silna. Zderzenia przypominały więc raczej wessanie gwiazdy neutronowej pod horyzont czarnej dziury.
Tłumaczy to, dlaczego teleskopy optyczne i radiowe niczego nie dostrzegły. Występujące wokół czarnych dziur ekstremalne siły pływowe zwykle rozrywają zbliżające się obiekty, a ich pozostałości powoli na czarną dziurę opadają, tworząc rozgrzany i świecący dysk.
Gwiazdy neutronowe są tak gęste, że opierają się takiemu rozciąganiu. Czarne dziury po prostu połknęły je w całości. Badacze żartują, że przypominało to scenę z gry Pac-Man.
Takie zderzenia są niezwykle rzadkie – zaobserwowano je po raz pierwszy. Zbiegiem okoliczności oba w ciągu dziesięciu dni – pierwsze 5. drugie zaś 10. stycznia ubiegłego roku.
– Koalescencje gwiazd neutronowych z czarnymi dziurami mogą być również źródłem promieniowania elektromagnetycznego w tym niezwykle energetycznych, krótszych niż 2 sekundy rozbłysków promieniowania gamma. Niestety, duża odległość do źródeł, jak i mała dokładność w wyznaczeniu ich położenia na niebie spowodowały, że nie zaobserwowano sygnału świetlnego związanego z tymi zdarzeniami – dodaje prof. Rosińska.
Jej zdaniem przyszłym obserwacjom łączenia się gwiazdy neutronowej z czarną dziurą może towarzyszyć wykrycie wytworzonego w tym procesie promieniowania elektromagnetycznego, co da uczonym wgląd w proces rozrywania pływowego gwiazdy neutronowej przez czarną dziurę. Może to dostarczyć informacji o ekstremalnie gęstej materii, z której składają się gwiazdy neutronowe.
Ostatni kawałek układanki
– Mamy teraz ostatni kawałek układanki, czyli pierwsze potwierdzone obserwacje fal grawitacyjnych pochodzących ze zderzenia czarnych dziur i gwiazd neutronowych – mówi prof. Susan Scott z Australian National University i jedna ze współautorów odkrycia.
Analiza fal grawitacyjnych jest niezwykle złożona. W odkryciu brało udział ponad tysiąc naukowców z całego świata, również polscy naukowcy z kilkunastu polskich uczelni i instytutów skupieni w grupie POLGRAW.
– Te obserwacje pokazują, że istnieją mieszane układy podwójne zawierające gwiazdy neutronowe i czarne dziury. Istnienie takich układów było przewidziane w wielu scenariuszach,w tym rozwijanych przez mnie wraz z prof. Belczyńskim od ponad dwudziestu lat. Ta detekcja jest potwierdzeniem takich przewidywań – komentuje prof. Tomasz Bulik z Obserwatorium Astronomicznego UW.
W 2017 roku za „istotny wkład w detektor LIGO i obserwację fal grawitacyjnych nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki otrzymali Kip Thorne, Barry Barish i Rainer Weiss.
Źródło: CNRS, Astrophysical Journal Letters, Uniwersytet Warszawski.