To się zdarza raz na 80 000 lat. Potwierdzono niezwykłe odkrycie

Naukowcy pracujący przy instrumentach LIGO i VIRGO potwierdzili odkrycie, o którym informowaliśmy w sierpniu – po raz pierwszy udało się bezpośrednio zaobserwować fale grawitacyjne oraz emisję światła pochodzące ze zderzenia gwiazd neutronowych.

Gdy wspomniane gwiazdy krążyły wokół siebie doszło do emisji fal grawitacyjnych, które obserwowano przez około 100 sekund. Gdy gwiazdy się zderzyły, rozbłysk światła był widziany z Ziemi po około 2 sekundach od zarejestrowania fal grawitacyjnych. W ciągu dni i tygodni następujących po zderzeniu obserwowano inne rodzaje emisji, w tym emisję w zakresach ultrafioletu, podczerwieni, światło widzialne, fale radiowe i promieniowanie rentgenowskie.

Obserwacje zderzenia gwiazd neutronowych były też niepowtarzalną okazją do przeprowadzenia wielu badań. Na przykład dzięki teleskopom Gemini Obserwatory, Hubble'a i European Very Large Telescope naukowcy dowiedzieli się, że podczas kolizji doszło do syntezy wielu materiałów, w tym złota i platyny. To z kolei pozwoliło na rozwiązanie zagadki pochodzenia pierwiastków cięższych od żelaza.

Możliwość obserwowania rzadkiego wydarzenia zmieniającego nasze rozumienie działania wszechświata jest niezwykle ekscytująca. Dzięki temu wielu specjalistów mogło w końcu osiągnąć postawione sobie cele badawcze i jednocześnie obserwować zjawisko zarówno w formie tradycyjnej jak i fal grawitacyjnych, mówi France A. Cordova, dyrektor National Science Foundation.

Sygnał grawitacyjny GW170817 wykryto po raz pierwszy 17 sierpnia bieżącego roku. Zauważono go w bliźniaczych detektorach LIGO umiejscowionych w Hanford w stanie Waszyngton i Livingston w Luizjanie. Informacje z detektora Virgo z okolic PIzy pozwoliły na ściślejsze określenie źródła sygnału. Mniej więcej w tym samym czasie gdy sygnał został wykryty w jednym z detektorów LIGO teleskop kosmiczny Fermi zarejestrował rozbłysk gamma. Analizy przeprowadzone przy użyciu oprogramowania LIGO-Virgo wykazały, że jest mało prawdopodobne, by sygnały pochodziły z różnych źródeł. Kolejna analiza pokazała, że i drugi z detektorów LIGO zarejestrował wspomniany sygnał. O zjawisku poinformowano ośrodki naukowe na całym świecie, dzięki czemu można było skierować teleskopy w odpowiednie miejsce.

Dane z LIGO pokazały, że w odległości około 130 milionów lat świetlnych od Ziemi znajdują się dwa krążące wokół siebie obiekty. Masę obu obiektów oszacowano na 1,1-1,6 masy Słońca, co wskazywało, że nie są to czarne dziury, a gwiazdy neutronowe. To było niezwykle cenne odkrycie, gdyż wcześniej rejestrowano wyłącznie fale grawitacyjne pochodzące z czarnych dziur. Taki sygnał trwa ułamki sekund. Tymczasem sygnał z gwiazd neutronowych nie tylko rejestrowano przez 100 sekund, ale też był on obecny we wszystkich częstotliwościach pracy LIGO. Przeprowadzone przez nas analizy wykazały, że błędny sygnał o takiej sile może się zdarzyć rzadziej niż raz na 80 000 lat, mówi Laura Cadonati, profesor fizyki na Georgia Tech. To odkrycie otwiera nowe możliwości przed astrofizyką. Zostanie ono zapamiętane jako jedno z najintensywniej badanych zjawisk astrofizycznych w dziejach, dodaje uczona.

Odkrycie rozwiązało kilka zagadek, na przykład pozwoliło stwierdzić, że krótkotrwałe rozbłyski gamma rzeczywiście mają związek z łączeniem się gwiazd neutronowych, ale pojawiły się też nowe pytania. Na przykład źródło rozbłysku gamma znajdowało się wyjątkowo blisko Ziemi, jednak sam rozbłysk był zadziwiająco słaby jak na tę odległość. Naukowcy już pracują nad modelami wyjaśniającymi, dlaczego tak się stało.

Mimo, że amerykański LIGO jako pierwszy odkrył sygnał, to europejski Virgo odegrał kluczową rolę w badaniach. Jego orientacja względem źródła sygnału w momencie jego zarejestrowania dostarczyła danych, które po połączeniu z danymi z LIGO pozwoliły na precyzyjne zlokalizowanie źródła sygnału. To najdokładniej zlokalizowane ze wszystkich dotychczas odkrytych źródeł fal grawitacyjnych. Tak duża precyzja położenia źródła pozwoliła na przeprowadzenie wielu przełomowych badań, stwierdził Jo van den Brand z Narodowego Holenderskiego Instytutu Fizyki Subatomowej, rzecznik projektu Virgo. To wspaniały przykład efektywności pracy zespołowej, pokazujący jak ważna jest koordynacja i współpraca naukowa, dodaje dyrektor Federico Ferrini z European Gravitational Observatory.

Przed mniej więcej 130 milionami lat dwie gwiazdy neutronowe krążyły wokół siebie w odległości około 300 kilometrów, a im bliżej siebie były, tym większą miały prędkość. Gwiazdy zaburzały czasoprzestrzeń, emitując fale grawitacyjne. W momencie zderzenia połączyły się w jeden ultragęsty obiekt emitując promieniowanie gamma. Teraz pomiary fal grawitacyjnych i promieniowania gamma potwierdziły ogólną teorię względności, która przewiduje, że fale grawitacyjne powinny poruszać się z prędkością światła. Przez najbliższe tygodnie i miesiące teleskopy z całego świata będą obserwowały i badały to, co pozostało ze zderzenia obu gwiazd.

Gdy planowaliśmy LIGO pod koniec lat 80. ubiegłego wieku, wiedzieliśmy, że będziemy potrzebowali całej międzynarodowej sieci obserwatoriów fal grawitacyjnych, w tym obserwatoriów znajdujących się w Europie. Dopiero taka sieć pozwoli na zlokalizowanie źródła fal grawitacyjnych, dzięki czemu można je będzie obserwować za pomocą teleskopów optycznych. Teraz możemy potwierdzić, że sieć obserwatoriów wspaniale działa i wraz z teleskopami optycznymi zapowiada nową erę w astronomii. A będzie jeszcze lepiej, gdyż planowane są obserwatoria w Indiach i Japonii, mówi Fred Raab, odpowiedzialny w LIGO za obserwacje.

LIGO zostało sfinansowane przez amerykańską Narodową Fundację Nauki (NSF), a zarządzają nim specjaliści z California Institute of Technology i MIT. Rozbudowa detektora do Advanced LIGO została również sfinansowana przez NSF, ale zyskała też wsparcie finansowe ze niemieckiego Towarzystwa im. Maxa Plancka, brytyjskiego Science and Technology Facilities Council oraz Australian Research Council. W pracach LIGO Scientific Collaboration bierze udział ponad 1200 naukowców z około 100 instytucji z całego świata.

Z kolei w prace Virgo zaangażowanych jest ponad 280 naukowców z 20 europejskich instytucji badawczych m.in. z Francji, Włoch, Holandii, Węgier, Polski i Hiszpanii. Detektor Virgo znajduje się w Pizie w European Gravitational Observatory, które jest finansowane ze środków francuskich, włoskich i holenderskich.

LIGO Virgo fale grawitacyjne światło