Znaleźli czarne złoto Wszechświata. Einstein i Hawking mieli rację
Astronomowie natrafili na prawdziwą kopalnię fal grawitacyjnych. Dzięki zastosowaniu niezwykle czułych detektorów zaobserwowali 161 zderzeń czarnych dziur i gwiazd neutronowych. Nowe odkrycie już określa się mianem czarnego złota.
Naukowcy właśnie otworzyli jedną z najcenniejszych baz danych współczesnej nauki. Nie chodzi o zdjęcia galaktyk, mapy planet ani katalog nowych gwiazd. Chodzi o coś znacznie trudniejszego do uchwycenia, o zmarszczki czasoprzestrzeni, które powstają wtedy, gdy w kosmosie zderzają się najbardziej ekstremalne obiekty znane fizyce. Wśród dziesiątek nowych sygnałów kilka zapisze się w historii astronomii ze względu na ekstremalne parametry.
Międzynarodowa sieć detektorów fal grawitacyjnych, obsługiwana przez konsorcjum LIGO–Virgo–KAGRA (LVK), ogłosiła udostępnienie online zaktualizowanego katalogu wszystkich zaobserwowanych do tej pory zdarzeń fal grawitacyjnych, nazwanego Gravitational Wave Transient Catalog-5.0 (GWTC-5.0).
Nasze detektory stały się teraz tak czułe, że odkrywamy nowe sygnały fal grawitacyjnych około trzy do czterech razy w tygodniu podczas naszych obserwacji, odsłaniając stale rosnącą skarbnicę danych. Każdy nowy sygnał pomaga nam pogłębić naszą wiedzę o ciemnej, niewidzialnej stronie Wszechświata – mówi Frank Ohme, kierownik grupy w Katedrze Interferometrii Precyzyjnej i Oddziaływań Fundamentalnych w Instytucie Fizyki Grawitacyjnej Maxa Plancka (Instytut Alberta Einsteina; AEI) w Hanowerze.
Dane analizowane w ramach GWTC-5.0 zostały zebrane przez bliźniacze detektory amerykańskiego obserwatorium NSF LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) oraz detektora Virgo obsługiwanego przez Europejskie Obserwatorium Grawitacyjne (EGO). Analizy przeprowadzono we współpracy z konsorcjum KAGRA, międzynarodowym konsorcjum skupionym wokół detektora fal grawitacyjnych KAmioka w Japonii.
Dziesięć lat po naszych pierwszych odkryciach wkraczamy w erę precyzyjnej astronomii fal grawitacyjnych. To, co dziś potrafimy osiągnąć dzięki astronomii fal grawitacyjnych, jest naprawdę niesamowite! Możemy badać populację łączących się czarnych dziur, przeprowadzać jedne z najdokładniejszych testów ogólnej teorii względności i uzyskiwać zupełnie nowe pomiary ekspansji naszego Wszechświata – dodaje Karsten Danzmann, emerytowany dyrektor AEI w Hanowerze.
Zaktualizowany katalog zawiera najnowsze zdarzenia fal grawitacyjnych, które miały miejsce między 10 kwietnia 2024 r. a 28 stycznia 2025 r., podczas części czwartej kampanii obserwacyjnej (O4) znanej jako O4b. W tym okresie wykryto 161 nowych zdarzeń fal grawitacyjnych.
Nasz nowy katalog zawiera kilka wyjątkowych i rekordowych sygnałów. Znaleźliśmy dowody na istnienie czarnych dziur drugiej generacji, precyzyjniej niż kiedykolwiek wcześniej określiliśmy położenie źródła fal grawitacyjnych na niebie i po raz pierwszy zmierzyliśmy lub ograniczyliśmy trzy tony fal grawitacyjnych z czarnej dziury w najczystszym sygnale fal grawitacyjnych zaobserwowanym do tej pory – mówi Alessandra Buonanno, kierownik Katedry Astrofizyki i Kosmologicznej Teorii Względności w Instytucie Astrofizyki i Astrofizyki Kosmologicznej AEI w Parku Naukowym w Poczdamie.
Najlepsza lokalizacja, jaką kiedykolwiek osiągnięto
Jeden z sygnałów, zaobserwowany 15 czerwca 2024 r. i nazwany GW240615, ustanawia nowy rekord najdokładniejszej lokalizacji na niebie spośród wszystkich sygnałów fal grawitacyjnych. Jego źródło znajdowało się na obszarze zaledwie 6 stopni kwadratowych, skrawku nieba, który mógłby być pokryty przez około 28 Księżyców w pełni. Ten wyjątkowy wynik był możliwy dzięki połączeniu danych z instrumentów LIGO i detektora Virgo, który obserwował fale grawitacyjne.
To rekordowe wydarzenie nastąpiło w wyniku połączenia się dwóch czarnych dziur, o masie odpowiednio 34 i 26 razy większej od masy naszego Słońca. Fale grawitacyjne zostały wyemitowane w wyniku ich połączenia około 3,4 mld lat temu, w czasie, gdy na Ziemi pojawiły się najwcześniejsze znane formy życia i przemieszczały się z prędkością światła, aż dotarły do naszej planety w 2024 r.
Astronomia fal grawitacyjnych wykracza daleko poza proste wykrywanie obecności sygnału. Za pomocą wysoce zaawansowanej analizy danych, sygnał musi zostać wyekstrahowany z szumu tła detektorów, a jego właściwości astrofizyczne muszą zostać wywnioskowane i zrozumiane. Im wyraźniej sygnał wyróżnia się na tle szumu tła, tym jest głośniejszy i tym lepiej można zrozumieć jego astrofizykę.
Najczystszy sygnał fali grawitacyjnej
GWTC-5 zawiera pięć wyjątkowo głośnych połączeń podwójnych czarnych dziur, w tym zdecydowanie najczystszy sygnał fal grawitacyjnych zaobserwowany do tej pory.
Zdarzenie GW250114 pochodziło z połączenia się czarnych dziur o masach 34 i 32 razy większych od masy Słońca, około 1,3 mld lat świetlnych stąd. Zostało ono zaobserwowane 14 stycznia 2025 r., a jego wyraźność umożliwiła osiągnięcie wybitnych wyników naukowych, w tym najdokładniejszego testu ogólnej teorii względności, jaki kiedykolwiek przeprowadzono, oraz potwierdzenie twierdzenia Stephena Hawkinga o polu czarnej dziury.
W fazie ringdown, gdy czarna dziura osiąga swój stan końcowy tuż po połączeniu, sygnał fali grawitacyjnej zawiera charakterystyczne widmo modów, czyli tonów. Charakterystyka wielu tonów fali grawitacyjnej, pomiar częstotliwości tonów i szybkości ich zanikania, umożliwia unikatowe i skuteczne testy ogólnej teorii względności. GW250114 był na tyle wyraźny, że naukowcy mogli zmierzyć dwa tony i nałożyć ograniczenia na trzeci. Wszystkie trzy są zgodne z ogólną teorią względności Einsteina i rozwiązaniem Kerra dla rotujących czarnych dziur.
Więcej na Spider's Web:
Czarne dziury drugiej generacji
W październiku i listopadzie 2024 r., w odstępie zaledwie miesiąca, sieć detektorów zaobserwowała fale grawitacyjne pochodzące z dwóch bardzo szczególnych zbiegów czarnych dziur. Fale GW241011 i GW241110 pochodziły z odległości odpowiednio około 700 mln i 2,4 mld lat świetlnych.
Pewne cechy tych fuzji, w szczególności szybkość i oś obrotu czarnych dziur, wskazują, że obiekty biorące w nich udział mogą być czarnymi dziurami drugiej generacji. Są to czarne dziury, które same powstały w wyniku wcześniejszych koalescencji czarnych dziur, prawdopodobnie w bardzo gęstych i zatłoczonych środowiskach kosmicznych, takich jak gromady gwiazd, gdzie czarne dziury częściej zderzają się i łączą wielokrotnie.
Jak szybko rozszerza się Wszechświat?
Naukowcy z wykorzystali rosnącą zdolność sieci detektorów do lokalizacji zdarzeń oraz zwiększoną liczbę zdarzeń do pomiaru tempa rozszerzania się naszego Wszechświata. Połączyli pomiary odległości do źródeł fal grawitacyjnych z innymi pomiarami prędkości, z jaką oddalają się one od Ziemi w wyniku rozszerzania się Wszechświata.
Dzięki temu poprawili precyzję oszacowania stałej Hubble'a, mierzącej tempo ekspansji Wszechświata, o ponad 25 proc. w porównaniu z wartością uzyskaną z poprzedniego katalogu. Oszacowana wartość jest zgodna z istniejącymi pomiarami zarówno z naszego sąsiedztwa kosmicznego, jak i z wczesnego Wszechświata. Nie jest ona jednak jeszcze wystarczająco precyzyjna, aby określić napięcie Hubble'a na podstawie tych od dawna stosowanych pomiarów.
Stała Hubble'a mówi nam, jak szybko rozszerza się Wszechświat i jaki jest jego wiek. Jednak różne metody jej pomiaru wciąż dają sprzeczne odpowiedzi, tworząc długotrwałe zjawisko napięcia Hubble'a w kosmologii. Jeśli ta rozbieżność się utrzyma, może to oznaczać, że nasza obecna wiedza o Wszechświecie jest niepełna. Korzystając z nowego zestawu źródeł fal grawitacyjnych, uzyskaliśmy niezależny pomiar stałej Hubble'a z precyzją lepszą o około 25 proc. w porównaniu z poprzednimi wynikami. Ten znaczący postęp podkreśla rosnący potencjał astronomii fal grawitacyjnych i przybliża nas do rozwiązania jednej z największych zagadek współczesnej kosmologii – powiedział Hsin-Yu Chen z Uniwersytetu Teksańskiego w Austin.
Najważniejszy wniosek z GWTC-5.0 jest prosty: astronomia fal grawitacyjnych dojrzała. Pierwsze wykrycia były dowodem, że umiemy rejestrować zderzenia czarnych dziur. Teraz naukowcy zaczynają używać tych zdarzeń jak narzędzi pomiarowych.
Dzięki nim można badać populacje czarnych dziur, sprawdzać ogólną teorię względności, szukać śladów obiektów drugiej generacji i mierzyć ekspansję Wszechświata. To ogromna zmiana. Kosmiczne katastrofy, które przez miliardy lat były całkowicie niewidzialne, stały się źródłem danych o najgłębszych prawach natury.
Głowna ilustracja: Wizja artystyczna dwóch łączących się czarnych dziur. Grafika: Carl Knox, OzGrav, Uniwersytet Technologiczny w Swinburne
