Udało się zarejestrować fale grawitacyjne z pierwotnych czarnych dziur?

Australijscy naukowcy z ARC Centre of Excellence for Dark Matter Particle Physics i University of Western Australia zbudowali wykrywacz fal grawitacyjnych, który wykorzystuje kwarc do rejestracji fal o wysokiej częstotliwości. Urządzenie pracuje od zaledwie 153 dni, a już zarejestrowało dwa sygnały, które mogą być falami grawitacyjnymi, jakich nigdy wcześniej naukowcy nie obserwowali. Fale takie mogą pochodzić z pierwotnych czarnych dziur lub chmur cząstek ciemnej materii.

Istnienie fal grawitacyjnych zostało przewidziane przez Alberta Einsteina. Przewidział on, że obiekty astronomiczne mogą generować fale zagiętej czasoprzestrzeni, które rozchodzą się po wszechświecie. Po raz pierwszy fale grawitacyjne zarejestrowano w 2015 roku, a o odkryciu oficjalnie poinformowano w lutym 2016. Odkrycia dokonano w parze dużych interferometrów LIGO.

Fale grawitacyjne powinny ściskać i rozciągać przestrzeń o 1 część na 10²¹, co oznacza, że cała Ziemia jest ściskana lub rozciągana o 1/100000 nanometra, czyli mniej więcej o grubość jądra atomu. W ramach eksperymentu LIGO zbudowano dwa interferometry ułożone w kształt litery L o długości 4 kilometrów każdy. Na końcach tuneli umieszczono lustra odbijające światło. W stronę luster wystrzeliwany jest promień lasera, który odbija się i powraca do detektorów. Jeśli promienie przebyły drogę o różnej długości, pomiędzy promieniami dojdzie do interferencji. Badając interferencję naukowcy są w stanie zmierzyć relatywną długość obu ramion z dokładnością do 1/10 000 szerokości protonu. To wystarczająca dokładność, by wykryć ewentualne zmiany długości obu ramion interferometrów spowodowane obecnością fal grawitacyjnych. W skład LIGO wchodzą dwa laboratoria - w stanach Luizjana i Waszyngton.

Oprócz interferometrów LIGO dysponujemy też europejskim urządzeniem Virgo, który często współpracuje z LIGOw tandemie. Niedawno zaś Japończycy uruchomili obserwatorium KAGRA.

Te trzy obserwatoria są w stanie zarejestrować fale grawitacyjne o niskiej częstotliwości, pochodzące ze zderzeń czarnych dziur, gwiazd neutronowych oraz pochłonięcia gwiazdy neutronowej przez czarną dziurę.

Pomimo tego, że najwięcej uwagi nauka zwraca na fale grawitacyjne o niskiej częstotliwości, istnieje wiele opracowań teoretycznych dotyczących fal o wysokiej częstotliwości. Zgodnie z tymi opracowaniami, źródłem takich fal mają być pierwotne czarne dziury lub ciemna materia. Dlatego też Australijczycy postanowili zbudować wykrywacz tego typu fal.

Został on stworzony z kwarcowego objętościowego rezonatora fali akustycznej (BAW – bulk acoustic wave). Sercem urządzenia jest dysk z kryształu kwarcu, który wibruje pod wpływem przechodzących przez niego fal akustycznych. Fale te indukują ładunki elektryczne w dysku, które możemy wykrywać.

BAW podłączony jest do nadprzewodzącego kwantowego urządzenia SQUID, działającego jak niezwykle czuły wzmacniacz sygnału. Całość została zamknięta w wielu osłonach chroniących wykrywacz przed przypadkowymi polami elektromagnetycznymi i schłodzona do niskich temperatur, co ułatwia wykrycie wibracji akustycznych o niskich energiach.

Tak przygotowany detektor zarejestrował dwa obiecujące sygnały. Teraz grupa uczonych próbuje określić, co było ich źródłem. Jednym z naukowców pracujących przy projekcie jest profesor Michael Tobar. Uczony mówi, że fale grawitacyjne o wysokiej częstotliwości to tylko jedno z możliwych źródeł sygnału. Innymi mogą być naładowane cząstki, naprężenia mechaniczne, upadek meteorytu czy wewnętrzne procesy zachodzące w materiale, z którego zbudowany jest detektor. Nie można też wykluczyć, że doszło do interakcji kwarcowego dysku z cząstkami ciemnej materii o bardzo dużej masie.

Jesteśmy niezwykle podekscytowani faktem, że wykrywacz okazał się tak czuły i rejestruje sygnały. Teraz musimy zrozumieć, co one oznaczają. To jednak pokazuje, że nasze urządzenie może być wykorzystywane w roli detektora fal grawitacyjnych o dużej częstotliwości. To jeden z zaledwie dwóch eksperymentów tego typu na świecie. Planujemy rozbudować go tak, by wykrywał jeszcze wyższe częstotliwości, badał zakresy, po które nikt wcześniej nie sięgał, mówi Tobar.

Australijczycy planują zbudowanie bliźniaczego detektora. Jeśli dwa takie wykrywacze zarejestrują fale grawitacyjne, będzie to niezwykle interesujące wydarzenie, dodaje uczony.

fale grawitacyjne częstotliwość pierwotne czarne dziury