Fot. Fotolia
Naukowy świat wciąż świętuje wykrycie fal grawitacyjnych. Tymczasem
polsko-amerykański zespół, kierowany przez prof. Krzysztofa
Belczyńskiego, już sześć lat temu przewidział, że pierwszym źródłem fal
będzie kolizja czarnych dziur, a nie gwiazd neutronowych.
O zaobserwowaniu fal grawitacyjnych naukowcy
poinformowali 11 lutego br. Historycznej obserwacji dokonano 14
września 2015 roku, kiedy dwa detektory amerykańskiego obserwatorium
LIGO oddalone od siebie o 3 tys. km zarejestrowały niemal jednocześnie
sygnał fal grawitacyjnych. Pochodził on ze zderzenia się dwóch masywnych
czarnych dziur o wadze 36 i 29 mas Słońca, czyli całkowitej masie
równej 65 mas Słońca.Choć naukowy świat wykrycie fal grawitacyjnych świętuje od kilku dni, to polsko-amerykański zespół kierowany przez prof. Krzysztofa Belczyńskiego już w 2010 roku wykazał, że pierwszą detekcję fal grawitacyjnych umożliwi zderzenie dwóch czarnych dziur, a nie - jak przewidywano - dwóch gwiazd neutronowych. Naukowcy wyliczyli też, że suma mas obu czarnych dziur tej detekcji wyniesie od 20 do 80 mas Słońca. Wyniki były rezultatem obliczeń dr. Michała Dominika, który obronił swoją pracę doktorską w 2014 roku w Obserwatorium Astronomicznym Uniwersytetu Warszawskiego właśnie pod kierunkiem prof. Belczyńskiego.
"Fale grawitacyjne są konsekwencją równań ogólnej teorii względności podanej przez Alberta Einsteina w 1916 roku. Od lat 60. ubiegłego wieku naukowcy próbowali +zobaczyć+ fale grawitacyjne i potwierdzić teorię Einsteina" - wyjaśnia prof. Krzysztof Belczyński z Uniwersytetu Warszawskiego.
Pierwszy znaczący krok wykonali w latach 70. ubiegłego wieku amerykańscy fizycy Russell A. Hulse i Joseph H. Taylor. Odkryli wówczas istnienie pierwszego układu dwóch gwiazd neutronowych, które powoli zbliżają się do siebie. To w wyniku ich zderzenia - za około 300 milionów lat - ma nastąpić silna emisja fal grawitacyjnych. Za odkrycie to otrzymali w 1993 roku Nagrodę Nobla.
Zajmujący się zagadnieniem astronomowie zaczęli jednak przypuszczać, że takich obiektów może być znacznie więcej. "Na tyle dużo, że każdego roku może dochodzić do zderzenia dwóch, a nawet większej liczby gwiazd neutronowych. Trzeba tylko sięgnąć odpowiednio głęboko w otaczający kosmos, aby te zderzenia zaobserwować" - tłumaczy prof. Belczyński. Temu miało służyć - zbudowane w latach 90. ubiegłego wieku - obserwatorium grawitacyjne LIGO. Jednak niewielka czułość pierwszych obserwacji, nie pozwoliła sięgnąć we Wszechświat na tyle głęboko, aby zaobserwować fale grawitacyjne. LIGO było bowiem czułe na detekcje zderzenia dwóch gwiazd neutronowych tylko do 18 Mpc (jednostka odległości używana w astronomii - PAP).
Naukowcy podejrzewali, że tego rodzaju fale muszą generować jednak nie tylko gwiazdy neutronowe, ale także czarne dziury. Do powstania bardzo silnych fal grawitacyjnych powinno prowadzić w szczególności zderzenie czarnej dziury z gwiazdą neutronową, lub zderzenie dwóch czarnych dziur. "I choć współczesna astronomia, ma dowody na istnienie około 20 czarnych dziur, to do chwili obecnej nie było żadnych dowodów na istnienie systemów składających się z gwiazdy neutronowej i czarnej dziury, ani układów dwóch czarnych dziur. Nie oczekiwano więc, że to właśnie zderzenia czarnych dziur mogą być pierwszym zaobserwowanym źródłem fal grawitacyjnych" - tłumaczy prof. Belczyński.
Przełom w zrozumieniu powstawania czarnych dziur nadszedł w 2010 roku. Teoretyczne badania nad ewolucją najmasywniejszych gwiazd pozwoliły polsko-amerykańskiemu zespołowi - kierowanemu przez prof. Belczyńskiego - na przedstawienie nowej teorii powstawania czarnych dziur.
W pierwszym kroku naukowcy pokazali, że czarne dziury mogą ważyć aż 80 mas Słońca, a nie tylko 10-20 mas jak przypuszczano do tamtej chwili. "Ten wynik miał olbrzymi wpływ na ocenę szansy detekcji fal grawitacyjnych. Im cięższe są czarne dziury, tym silniejsze fale grawitacyjne produkuje ich zderzenie i tym łatwiej je dostrzec" - wyjaśnia prof. Belczyński.
W drugim etapie naukowcy wykazali, że dotychczasowe oszacowania ilości zderzeń czarnych dziur we Wszechświecie były całkowicie nieprawidłowe. "Wszystkie prace na temat powstawania układów dwóch czarnych dziur były dotychczas oparte na ewolucji gwiazd, jakie znajdują się w naszej galaktyce. Są to gwiazdy o dużej zawartości ciężkich pierwiastków - metali. Ewolucja takich gwiazd, a w szczególności ich gwałtowna ekspansja i wzrost rozmiaru zaraz po wypaleniu wodoru, powoduje, że gwiazdy te bardzo rzadko produkują układy dwóch zderzających się czarnych dziur" - wyjaśnia profesor.
Zespół prof. Belczyńskiego zauważył, że po pierwsze większość gwiazd w początkowych etapach historii Wszechświata miała w sobie bardzo niewiele ciężkich pierwiastków, a po drugie ewolucja tych gwiazd prowadzi do bardzo efektywnego tworzenia się układów z czarnymi dziurami. W praktyce te pradawne układy czarnych dziur, które powstały przed miliardami lat, zderzają się w ciągu ostatniego 1-2 miliarda lat, czyli w zasięgu widoczności obserwatorium LIGO. Ich liczba przekracza nie tylko liczbę zderzeń gwiazd neutronowych, ale też jest większa o kilkaset razy od liczby zderzeń czarnych dziur, powstających w galaktykach takich jak Droga Mleczna. Zespół postawił bardzo konkretną hipotezę: "jeżeli instrumenty takie jak LIGO osiągną czułość 50-100 Mpc, to powinna nastąpić pierwsza detekcja fal grawitacyjnych. Będzie to zderzenie dwóch czarnych dziur".
W trzecim kroku te czysto teoretyczne przewidywania znalazły pierwsze poparcie obserwacyjne. Naukowcy trafność swoich teoretycznych prac wykazali na przykładzie tzw. przerwy masowej. "Od początku lat 90. niezrozumiały był brak gwiazd neutronowych i czarnych dziur w zakresie od 2 do 5 mas Słońca. W 2012 roku - w oparciu o nasze modele - pokazaliśmy, że +przerwa masowa+ jest naturalną konsekwencją szybkości i energetyki wybuchu supernowych" - wyjaśnia naukowiec.
W latach 2010-2015 obserwatorium LIGO przeszło intensywne prace zwiększające czułość i zasięg obserwacji. Na jesieni 2015 roku rozpoczęło ponowną pracę ze zwiększoną czułością z zasięgiem 70 Mpc. Badania prowadzone w "odnowionym" obserwatorium umożliwiły pierwszą detekcję fal grawitacyjnych i potwierdziły przewidywania polsko-amerykańskiego zespołu.
W zespole prof. Belczyńskiego prace prowadzili: Tomasz Bulik, Michal Dominik, Grzegorz Wiktorowicz oraz Wojciech Gladysz. Badania dofinansowały Narodowe Centrum Nauki oraz Fundacja na rzecz Nauki Polskiej.
Istotny wkład w doprowadzeniu do pierwszej obserwacji fal grawitacyjnych wniosło w sumie 15 polskich naukowców pracujących w grupie POLGRAW. W projekcie - oprócz naukowców z Uniwersytetu Warszawskiego - uczestniczyli badacze z Instytutu Matematycznego PAN, Centrum Astronomicznego im. Mikołaja Kopernika PAN, Narodowego Centrum Badań Jądrowych, a także uniwersytetów: w Białymstoku, Mikołaja Kopernika w Toruniu, Wrocławskiego i Zielonogórskiego.
Profesor Belczyński i jego zespół przygotował już astrofizyczną interpretację pierwszej detekcji fal grawitacyjnych. Praca jest recenzowana w specjalistycznym czasopiśmie o zasięgu międzynarodowym. Więcej na temat teoretycznych prac zespołu można znaleźć tutaj.
PAP - Nauka w Polsce
Brak komentarzy:
Prześlij komentarz