Krótko przed zderzeniem dwie czarne dziury splątały czasoprzestrzeń w węzły

W lutym 2016 roku naukowcy z Laserowego Interferometru Obserwatorium Fal Grawitacyjnych (LIGO) ogłosili pierwsze w historii wykrycie fal grawitacyjnych (GW). Pierwotnie przewidywane przez Ogólną Teorię Względności Einsteina , fale te są zmarszczkami w czasoprzestrzeni, które pojawiają się, gdy łączą się masywne obiekty (takie jak czarne dziury i gwiazdy neutronowe). Od tego czasu niezliczone zdarzenia związane z GW zostały wykryte przez obserwatoria na całym świecie – do tego stopnia, że ​​stały się niemal codziennym zjawiskiem. Pozwoliło to astronomom uzyskać wgląd w niektóre z najbardziej ekstremalnych obiektów we Wszechświecie. W niedawnym badaniu międzynarodowy zespół naukowców kierowany przez Cardiff University zaobserwował podwójny system czarnych dziur wykryty pierwotnie w 2020 r. przez Advanced LIGO , Virgo i Kamioki Gravitational Wave Observatory (KAGRA). W trakcie tego procesu zespół zauważył osobliwy ruch skręcający (czyli precesję) na orbitach dwóch zderzających się czarnych dziur, który był 10 miliardów razy szybszy niż w przypadku innych obiektów precesyjnych. Jest to pierwszy przypadek zaobserwowania precesji w przypadku podwójnych czarnych dziur, co potwierdza jeszcze inne zjawisko przewidywane przez Ogólną Teorię Względności (GR).

Zespołem kierowali profesor Mark Hannam, dr Charlie Hoy i dr Jonathan Thompson z Instytutu Eksploracji Grawitacji na Uniwersytecie Cardiff. Dołączyli do nich naukowcy z Laboratorium LIGO , Instytutu Nauki i Technologii w Barcelonie , Instytutu Fizyki Grawitacyjnej im. Maxa Plancka , Instytutu Astronomii Fal Grawitacyjnych , Centrum Doskonałości ARC ds. Odkrywania Fal Grawitacyjnych , Sojuszu Fizyki Szkockich Uniwersytetów (SUPA) . ) oraz inne instytuty badawcze GW.

Binarne czarne dziury (BBH) są uważane za głównego kandydata do badania GW, ponieważ astronomowie spodziewają się, że niektóre z nich będą składać się z wcześniejszych plików binarnych. W tym scenariuszu czarne dziury będą krążyć wokół siebie po coraz bardziej zawężających się orbitach, generując coraz silniejszy sygnał GW, dopóki się nie połączą. Jednak nie zaobserwowano ostatecznych dowodów precesji orbitalnej w 84 systemach BBH wykrytych do tej pory przez Advanced LIGO i Virgo. Jednak zespół zauważył coś innego podczas badania zdarzenia GW200129 wykrytego przez współpracę LIGO–Virgo–KAGRA podczas jej trzeciego uruchomienia operacyjnego (O3).

Jedna z czarnych dziur w tym układzie (~40 mas Słońca) jest uważana za najszybciej wirującą czarną dziurę, jaką kiedykolwiek wykryto za pomocą fal grawitacyjnych. W przeciwieństwie do wszystkich poprzednich obserwacji BBH, szybka rotacja systemu ma tak głęboki wpływ na czasoprzestrzeń, że cały system chwieje się tam iz powrotem. Ta forma precesji jest znana jako Przeciąganie Ramki (inaczej efekt Lense-Thirring), interpretacja GR, w której siły grawitacyjne są tak silne, że „ciągną” za sobą samą tkankę czasoprzestrzeni.

To samo zjawisko można zaobserwować podczas obserwacji orbity Merkurego, która okresowo zanika, gdy krąży wokół Słońca. Krótko mówiąc, ścieżka Merkurego wokół Słońca jest bardzo ekscentryczna, a najbardziej odległy punkt na jego orbicie (peryhelium) również porusza się w czasie, obracając się wokół Słońca jak wirujący bączek. Te obserwacje są jednym ze sposobów testowania (i potwierdzania) GR po tym, jak Einstein sformalizował go w 1916 roku. Ogólnie rzecz biorąc, precesja w ogólnej teorii względności jest zwykle tak słabym efektem, że jest prawie niezauważalna. Jak wyjaśnił dr Thompson w niedawnym komunikacie prasowym Uniwersytetu Cardiff :

To bardzo trudny do zidentyfikowania efekt. Fale grawitacyjne są niezwykle słabe i ich wykrycie wymaga najczulszego aparatu pomiarowego w historii. Precesja jest jeszcze słabszym efektem ukrytym w i tak już słabym sygnale, więc musieliśmy przeprowadzić dokładną analizę, aby go odkryć.

Wcześniej najszybszym znanym przykładem był podwójny pulsar, którego przetworzenie na orbicie zajęło ponad 75 lat. W tym przypadku BBH znany jako GW200129 (obserwowany 29 stycznia 2020 r.) przetwarza kilka razy na sekundę, efekt 10 miliardów razy silniejszy niż pulsar podwójny. Mimo to potwierdzenie, że czarne dziury w tym układzie ulegały precesji, było poważnym wyzwaniem. Powiedział dr Hoy, który jest obecnie naukowcem na Uniwersytecie Portsmouth:

To bardzo trudny do zidentyfikowania efekt. Fale grawitacyjne są niezwykle słabe i ich wykrycie wymaga najczulszego aparatu pomiarowego w historii. Precesja jest jeszcze słabszym efektem ukrytym w i tak już słabym sygnale, więc musieliśmy przeprowadzić dokładną analizę, aby go odkryć.

Wyniki te potwierdzają, że zanim czarne dziury się połączą – najbardziej ekstremalne zdarzenie grawitacyjne, jakie astronomowie kiedykolwiek zaobserwowali – BBH mogą doświadczyć precesji orbitalnej. Jest to również najnowszy z długiej serii przykładów, które pokazują, w jaki sposób astronomia GW pozwala astronomom badać prawa fizyki w najbardziej ekstremalnych warunkach, jakie można sobie wyobrazić. Dzięki sieci składającej się z detektorów Advanced LIGO, Virgo i KAGRA w USA, Europie i Japonii jest to również jedna z najbardziej dynamicznych dziedzin badań astronomicznych.

Sieć ta jest obecnie aktualizowana w celu zwiększenia jej wrażliwości na zdarzenia GW i rozpocznie czwartą rundę obserwacji (O4) w 2023 roku. Kiedy to nastąpi, mamy nadzieję, że kilkaset kolizji czarnych dziur zostanie wykrytych i dodanych do katalogu GW. Pozwoli to astronomom uzyskać lepszy wgląd w najbardziej ekstremalne zjawisko grawitacyjne we Wszechświecie i dowiedzieć się, czy GW200129 był wartością odstającą, czy też takie ekstremalne zdarzenia są częstym zjawiskiem.

 

Fale grawitacyjne istnieją, dowód mamy od szeciu lat

Równo 6 lat temu z pomocą instrumentu LIGO zaobserwowano w Stanach Zjednoczonych pierwszy sygnał, który był oznaką falujących zmian w tkance czasoprzestrzeni.

Fale grawitacyjne zaobserwowano po raz pierwszy 14 września 2015 roku. Ponad dwa lata później, 3 października 2017, Rainer Weiss, Barry C. Barish i Kip S. Thorne otrzymali Nagrodę Nobla z dziedziny fizyki „za decydujący wkład w stworzenie detektora LIGO i obserwację fal grawitacyjnych”
Do dziś zaobserwowano przynajmniej 22 źródła fal grawitacyjnych  Sygnał ten (przełożony na fale dźwiękowe) przypominał ptasi świergot. Zjawisko powstało w wyniku połączenia się z sobą dwóch czarnych dziur o masach około 29 i 36 mas Słońca, a miało to miejsce około miliarda lat świetlnych od Ziemi.
Źródłami fal grawitacyjnych mogą być przede wszystkim układy podwójne gwiazd zawierające składniki zwarte: gwiazdy neutronowe i czarne dziury. Zlewające się ze sobą pary takich gwiazd są prawdopodobnie powiązane z niektórymi krótkotrwałymi błyskami gamma.