Naukowcy twierdzą, że nasz katalog zmarszczek czasoprzestrzeni „słyszanych” przez detektory fal grawitacyjnych na Ziemi podwoił się, a nowo odkryte źródła obejmują niestabilne połączenia czarnych dziur po najcięższe zderzenia czarnych dziur, jakie wykryto do tej pory.
Już w 1915 r. Alberta Einsteina przewidzieli, że kiedy zderzą się najgęstsze i najbardziej ekstremalne obiekty we wszechświecie, zdarzenia te ustanowią strukturę przestrzeni i czasu (zjednoczoną jako czterowymiarowa całość zwana czasoprzestrzeń) dzwoni. Następnie, 100 lat później, 14 września 2015 r., Obserwatorium Fal Grawitacyjnych z Interferometrem Laserowym (LIGO) dokonał pierwszego wykrycia tych zmarszczek czasoprzestrzeni — powstały one w wyniku zderzenia czarne dziury ponad 1,3 miliarda lat świetlnych stąd.
Każde nowe wykrycie fali grawitacyjnej pozwala nam odblokować kolejny element układanki wszechświata w sposób, którego nie mogliśmy jeszcze dziesięć lat temu” – mówi członkini LVK Lucy Thomas z Kalifornijskiego Instytutu Technologii (Caltech), – napisano w oświadczeniu. „Niezwykle ekscytujące jest myślenie o tym, jakie astrofizyczne tajemnice i niespodzianki możemy odkryć podczas przyszłych serii obserwacyjnych”.
Większa różnorodność
Dane zawarte w tym katalogu, nazwany Katalogiem przejściowym fal grawitacyjnych-4.0 (GWTC-4), obejmują 128 niezwykle odległych źródeł fal grawitacyjnych. Zebrano go podczas czwartej serii obserwacyjnej tych detektorów fal grawitacyjnych, która została przeprowadzona w okresie od maja 2023 r. do stycznia 2024 r.
Wcześniej oraz podczas pierwszych trzech serii obserwacyjnych LIGO, Virgo i KAGRA naukowcy „słyszeli” jedynie 90 potencjalnych źródeł fal grawitacyjnych. Co ekscytujące, technicznie rzecz biorąc, GWTC-4 mogła być jeszcze większa, ponieważ około 170 innych odkryć fal grawitacyjnych dokonanych przez LIGO, Virgo i KAGRA nie trafiło jeszcze do katalogu.
„W ciągu ostatniej dekady w astronomii fal grawitacyjnych nastąpił postęp od pierwszego wykrycia do obserwacji setek połączeń czarnych dziur” – powiedział w oświadczeniu rzecznik LIGO Stephen Fairhurst, profesor na Uniwersytecie w Cardiff w Wielkiej Brytanii. „Te obserwacje pozwalają nam lepiej zrozumieć, w jaki sposób czarne dziury powstają w wyniku zapadnięcia się masywnych gwiazd, badają kosmologiczną ewolucję Wszechświata i dostarczają coraz bardziej rygorystycznych potwierdzeń ogólnej teorii względności”.
Jednym z aspektów GWTC-4, który naprawdę się wyróżnia, jest różnorodność zdarzeń, które wytworzyły te sygnały. W tym katalogu znajdują się fale grawitacyjne powstałe w wyniku połączenia najcięższych jak dotąd układów podwójnych czarnych dziur, z których każda jest około 130 razy masywniejsza od masy słonecznynierówne łączenia się czarnych dziur o poważnie niedopasowanych masach i czarnych dziur wirujących z niewiarygodną prędkością około 40% prędkości światła. W takich przypadkach naukowcy uważają, że ekstremalne cechy czarnych dziur biorących udział w tych połączeniach są wynikiem wcześniejszych zderzeń, dostarczając dowodów na istnienie łańcuchów łączenia, które wyjaśniają, w jaki sposób niektóre czarne dziury rosną do mas miliardów razy większych od masy Słońca.
„Ten zbiór danych utwierdził nas w przekonaniu, że czarne dziury, które zderzyły się wcześniej w historii Wszechświata, mogły łatwiej uzyskać większe obroty niż te, które zderzyły się później” – stwierdził w oświadczeniu członek LVK i naukowiec z MIT Salvatore Vitale.
GWTC-4 zawiera także dwa nowe połączenia mieszane obejmujące czarne dziury i gwiazdy neutronowe.
„Przesłanie z tego katalogu jest następujące: rozszerzamy się na nowe części tego, co nazywamy „przestrzenią parametrów” i zupełnie nową różnorodność czarnych dziur” – stwierdził w oświadczeniu członek LVK Daniel Williams z Uniwersytetu w Glasgow w Wielkiej Brytanii. „Naprawdę przesuwamy granice i widzimy rzeczy, które są bardziej masywne, wirują szybciej i są bardziej interesujące astrofizycznie i niezwykłe”.
Katalog pokazuje również, jak czułe stały się detektory LVK. Niektóre połączenia gwiazd neutronowych miały miejsce w odległości do 1 miliarda lat świetlnych, podczas gdy niektóre połączenia czarnych dziur miały miejsce w odległości do 10 miliardów lat świetlnych. Odkrycia te umożliwiły naukowcom przetestowanie teorii, która jako pierwsza przewidywała istnienie zarówno czarnych dziur, jak i fal grawitacyjnych, czyli teorii grawitacji opus magnum Einsteina, ogólna teoria względności.
„Czarne dziury to jedna z najbardziej charakterystycznych i zadziwiających przewidywań ogólnej teorii względności. Wstrząsają przestrzenią i czasem intensywniej niż jakikolwiek inny proces, który możemy sobie wyobrazić” – stwierdził w oświadczeniu członek LVK Aaron Zimmerman z Uniwersytetu Teksasu w Austin. „Testując nasze teorie fizyczne, dobrze jest przyjrzeć się najbardziej ekstremalnym sytuacjom, jakie tylko możemy, ponieważ to właśnie tam nasze teorie najprawdopodobniej się załamią i mamy największe szanse na odkrycie.
„Jak dotąd teoria przechodzi wszystkie nasze testy. Ale uczymy się również, że musimy dokonywać jeszcze dokładniejszych przewidywań, aby nadążać za wszystkimi danymi, jakie dostarcza nam wszechświat”.
Wyniki LVK wkrótce ukażą się w specjalnym wydaniu Astrophysical Journal Letters.
