Po raz pierwszy usłyszeli fale grawitacyjne. W kosmosie doszło do potężnego zderzenia
Wszechświat ma własny chór. Nie jest to chór ludzkich głosów, lecz fal grawitacyjnych, które powstają podczas zderzania się supermasywnych czarnych dziur. Astronomowie z całego świata, korzystając z nowatorskiej metody detekcji, po raz pierwszy zarejestrowali to wszechobecne tło fal grawitacyjnych, które wypełnia kosmos.
To najpotężniejsze fale grawitacyjne, jakie kiedykolwiek zmierzono, a ich energia jest milion razy większa niż wywołana przez zwykłe czarne dziury i gwiazdy neutronowe. W ten sposób naukowcy znaleźli dowody na to, że nasza Ziemia i otaczający nas wszechświat są zanurzone w falującej czasoprzestrzeni.
Fale grawitacyjne to zmarszczki w tkance czasoprzestrzeni, które powstają, gdy dwa bardzo masywne obiekty zderzają się ze sobą. Dotychczas obserwowano je tylko w przypadku zderzeń gwiazd neutronowych lub czarnych dziur o masach podobnych do Słońca. Jednak naukowcy z projektu NANOGrav (North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves) odkryli, że fale grawitacyjne są również emitowane przez pary supermasywnych czarnych dziur, które krążą wokół siebie w odległych galaktykach.
Supermasywne czarne dziury to gigantyczne obiekty o masach milionów lub miliardów razy większych niż masa Słońca. Znajdują się one w centrum większości galaktyk, w tym naszej Drogi Mlecznej. Czasami dwie galaktyki zderzają się i łączą się ze sobą, a wtedy ich supermasywne czarne dziury również zaczynają się zbliżać i tworzyć parę. Taki proces może trwać miliardy lat, aż do ostatecznego połączenia czarnych dziur.
To jak szmer na przyjęciu
Naukowcy z NANOGrav obserwowali przez 15 lat pulsary, czyli szybko obracające się neutronowe gwiazdy, które wysyłają wąskie wiązki fal radiowych. Te fale docierają do Ziemi w regularnych odstępach czasu, jak sygnały z kosmicznego zegara. Jednak fale grawitacyjne z łączących się supermasywnych czarnych dziur zakłócają te sygnały, powodując niewielkie zmiany w ich częstotliwości i czasie przybycia. Te zmiany są bardzo subtelne i trudne do wykrycia, dlatego potrzebna była długa i dokładna obserwacja wielu pulsarów.
Kiedy fale grawitacyjne przemieszczają się w kosmosie, bardzo nieznacznie rozciągają i ściskają strukturę czasoprzestrzeni. To rozciąganie i ściskanie może spowodować minimalną zmianę odległości między Ziemią a danym pulsarem, co skutkuje opóźnieniami lub przyspieszeniem synchronizacji błysków światła pulsarów. Aby wyszukać szum tła fal grawitacyjnych, zespół naukowy opracował oprogramowanie do porównywania synchronizacji par pulsarów w ich sieci. Fale grawitacyjne przesunęły ten czas w różnym stopniu w zależności od tego, jak blisko znajdują się pulsary na niebie.
NANOGrav wychwycił zbiorowy szum fal grawitacyjnych z wielu par łączących się supermasywnych czarnych dziur w całym wszechświecie. Ludzie porównują ten sygnał do szmeru w tle, a nie do krzyków odbieranych przez LIGO. To tak, jakbyś był na przyjęciu koktajlowym i nie możesz wyłowić żadnego pojedynczego głosu. Słyszymy tylko szum tła
- mówi Patrick Meyers, członek zespołu NANOGra.
Wyniki badań NANOGrav zostały opublikowane 29 czerwca 2023 roku w serii artykułów w czasopiśmie Astrophysical Journal Letters. Są to pierwsze dowody na istnienie tzw. tła fal grawitacyjnych, czyli stałego szumu fal grawitacyjnych pochodzących z wielu źródeł w całym Wszechświecie.
To jak chór, w którym wszystkie pary supermasywnych czarnych dziur śpiewają na różnych częstotliwościach
– mówi Chiara Mingarelli, naukowiec z NANOGrav, która pracowała nad nowymi odkryciami.
Nowa era w badaniu kosmosu
Wykryte fale grawitacyjne są o wiele silniejsze niż te z pojedynczych zderzeń neutronowych gwiazd lub czarnych dziur. Niosą one około milion razy więcej energii niż te wykryte przez eksperymenty takie jak LIGO i Virgo. Są to najpotężniejsze fale grawitacyjne, jakie kiedykolwiek zmierzono.
Odkrycie tła fal grawitacyjnych otwiera nowe możliwości badania Wszechświata i jego historii. Na przykład pozwala na lepsze zrozumienie losu par supermasywnych czarnych dziur i częstości zderzeń galaktyk. Fale tła wykryte przez NANOGrav mogą pomóc naukowcom lepiej zrozumieć, w jaki sposób powstają fale grawitacyjne i co się z nimi dzieje, gdy rozchodzą się we wszechświecie. Można je również wykorzystać do badania fuzji supermasywnych czarnych dziur, zdarzeń, które mogą trwać miliony lat. Naukowcy uważają, że te fuzje zachodzą w większości galaktyk i wpływają na ich ewolucję. Na razie NANOGrav może tylko mierzyć ogólny poziom tła fal grawitacyjnych, a nie poszczególne źródła tych fal. Jednak nawet to przyniosło niespodzianki.
Naukowcy z NANOGrav planują kontynuować obserwacje pulsarów i poprawiać swoje metody analizy danych, aby w przyszłości być w stanie zidentyfikować i zlokalizować konkretne pary supermasywnych czarnych dziur. Współpracują oni również z innymi międzynarodowymi projektami badawczymi, takimi jak European Pulsar Timing Array i Parkes Pulsar Timing Array, aby stworzyć globalną sieć obserwacyjną fal grawitacyjnych.
