Detektory kosmiczne wykryły największe z dotychczasowych źródeł fal grawitacyjnych. Zdaniem naukowców zdarzenie jest bardzo nietypowe

Fale grawitacyjne – zmarszczki w czasoprzestrzeni, których istnienie przewidział Albert Einstein – otwierają nową erę astronomii. Pozwalają naukowcom zobaczyć części Wszechświata, które kiedyś uważano za niewidoczne, m.in. czarne dziury. Niedawno badacze wykryli sygnał z prawdopodobnie najbardziej masywnego połączenia czarnych dziur, jakie dotychczas zaobserwowano. Instrumenty LIGO oraz Virgo ogłosiły wykrycie fal grawitacyjnych z układu dwóch czarnych dziur o masach 66 i 85 mas Słońca.

Już sto lat temu Albert Einstein opracował ogólną teorię względności i przewidział istnienie fal grawitacyjnych. Wytwarzane są przez przyspieszanie obiektów dowolnej wielkości, powodując powstanie „zmarszczek” w czasoprzestrzeni. Większość z tych fal jest jednak zbyt słaba, aby wykryć je eksperymentalnie. Można jedynie wykryć fale grawitacyjne wytwarzane przez najbardziej masywne obiekty poruszające się z prędkością bliską prędkości światła.

Niedawno naukowcy dzięki instrumentom LIGO i Virgo wykryli sygnał z połączenia czarnych dziur (o masach około 85 i 66 mas Słońca), prawdopodobnie najbardziej masywnego, jakie dotychczas zaobserwowano w falach grawitacyjnych. W efekcie powstała masywna czarna dziura o masie 142 mas Słońca i uwolniła ogromną ilość energii, odpowiadającą około ośmiu masom Słońca, rozrzuconą po Wszechświecie w postaci fal grawitacyjnych.

– To, co wykryliśmy, nie brzmi jak dotychczas wykrywane sygnały. To bardziej przypomina „huk” niż „ćwierkanie” i jest to najmocniejszy sygnał, jaki LIGO i Virgo do tej pory przechwyciły – podkreśla Nelson Christensen, członek Virgo, naukowiec z francuskiego Narodowego Centrum Badań Naukowych (CNRS). – Fakt, że dostrzegamy czarną dziurę w tej luce, sprawi, że wielu astrofizyków podrapie się po głowach i spróbuje dowiedzieć się, jak powstały te czarne dziury.

Fala grawitacyjna została zarejestrowana 21 maja 2019 roku przez trzy detektory interferometryczne. Sygnał – nazwany GW190521 – został następnie przeanalizowany przez naukowców, którzy oszacowali odległość źródła sygnału na około 17 mld lat świetlnych. Astrofizycy zwracają uwagę, że powstała czarna dziura należy do klasy czarnych dziur o masie pośredniej (od 100 do 100 tys. mas Słońca). Nigdy wcześniej nie udało się zaobserwować czarnych dziur w takim zakresie – ani za pomocą fal grawitacyjnych, ani obserwacji elektromagnetycznych. Detekcja może pomóc wyjaśnić powstawanie czarnych dziur o masie pośredniej.

– Od czasu, gdy uruchomiliśmy LIGO, wszystko, co zaobserwowaliśmy, to zderzenie czarnych dziur lub gwiazd neutronowych – mówi Alan Weinstein, profesor fizyki z Caltech, członek LIGO. – Jest to jedyne zdarzenie, w przypadku którego nasza analiza dopuszcza możliwość, że nie jest takim zderzeniem.

Do dziś zidentyfikowano dzięki obserwacjom elektromagnetycznym bardzo niewielu kandydatów na czarne dziury o masie pośredniej, a GW190521 jest pierwszą obserwacją takiej czarnej dziury za pomocą fal grawitacyjnych. W porównaniu do poprzednich detekcji fal grawitacyjnych obserwowany sygnał GW190521 trwał dużo krócej, co utrudnia naukowcom analizę. Ze względu na złożony charakter tego sygnału rozważano też inne źródła jego pochodzenia.

– Istnieje prawdopodobieństwo, że odkryliśmy coś zupełnie nowego – mówi Alan Weinstein. – Zgodnie z zasadą brzytwy Ockhama przyjmujemy, że prostsze rozwiązanie jest lepsze, a w tym przypadku jest to podwójna czarna dziura.

Zdaniem ekspertów obserwacja GW190521 otwiera nowe perspektywy badania masywnych gwiazd i mechanizmów wybuchów supernowych. Pokazuje też skuteczność instrumentów.

– LIGO po raz kolejny zaskakuje nas nie tylko wykrywaniem czarnych dziur o rozmiarach, które są trudne do wyjaśnienia, lecz także samą ich techniką, która nie została zaprojektowana specjalnie do wykrywania połączenia czarnych dziur – mówi Pedro Marronetti, dyrektor programu ds. fizyki grawitacyjnej w amerykańskiej National Science Foundation. – Ma to ogromne znaczenie, ponieważ pokazuje zdolność instrumentu do wykrywania sygnałów z całkowicie nieprzewidzianych zdarzeń astrofizycznych. LIGO pokazuje, że potrafi również obserwować nieoczekiwane.

W zespole Virgo-Polgraw, uczestniczącym w odkryciu, pracuje 16 naukowców z Polski.