Badanie nietypowej emisji fal grawitacyjnych. Układ podwójny, jakiego dotąd nie widziano

W opracowaniu naukowym, które 23 czerwca 2020 roku ukazało się w prestiżowym periodyku The Astrophysical Journal Letters, konsorcjum LIGO-Virgo opisuje szczegóły analizy sygnału fal grawitacyjnych oznaczonego jako GW190814. Sygnał ten odebrano w sierpniu 2019 roku w wyniku zlania się (połączenia) dwóch masywnych i bardzo gęstych obiektów tworzących układ podwójny. Cięższy składnik tego układu miał masę 23 razy przewyższającą masę Słońca. Jest to masa typowa dla populacji czarnych dziur obserwowanych w sygnałach zarejestrowanych przez detektory LIGO-Virgo. Lżejszy obiekt natomiast miał masę w zakresie między 2,5 a 3 mas Słońca.

Układ ten jest wyjątkowy z dwóch powodów. Po pierwsze, masa cięższego obiektu jest dziewięć razy większa niż masa lżejszego obiektu, co powoduje, że jest to źródło fal grawitacyjnych o największej asymetrii mas z dotychczas zarejestrowanych. Po drugie oszacowana masa lżejszego składnika tego układu oznacza, że albo jest to najcięższa zaobserwowana dotychczas gwiazda neutronowa, albo najlżejsza zaobserwowana czarna dziura.

Sygnał GW190814 ze względu na dużą asymetrię mas składników układu podwójnego, który go wygenerował, znakomicie nadaje się jednak do przeprowadzenia bardzo rygorystycznych testów ogólnej teorii względności w ekstremalnych warunkach. Kształt sygnału fal grawitacyjnych wynika bezpośrednio z równań Einsteina, przez co każde odstępstwo od modelu można łatwo zaobserwować. Dodatkowo sygnał GW190814 pozwolił na najlepszy do tej pory pomiar stałej Hubble’a, jedynie na podstawie analizy sygnału fal grawitacyjnych.

W tym kontekście powstało opracowanie opisujące emisję GW190814, będące wynikiem szerokiej współpracy ponad tysiąca naukowców z całego świata zrzeszonych w konsorcjum LIGO-Virgo - w tym szesnastu z Polski (reprezentujących m.in. Centrum Astronomiczne im. Mikołaja Kopernika oraz Narodowe Centrum Badań Jądrowych). Trzech z nich pracuje w NCBJ (prof. Andrzej Królak, inż. Adam Kutynia i dr Adam Zadrożny). Naukowcy od 2008 roku biorą aktywny udział w pracach konsorcjum LIGO-Virgo, w tym nad sygnałami pochodzącymi z rotujących gwiazd neutronowych, astronomią wielu nośników (multi-messenger astronomy) oraz nowymi metodami analizy danych. Narodowe Centrum Badań Jądrowych wnosi też wkład w budowę europejskiego detektora fal grawitacyjnych Virgo.

Pierwsza bezpośrednia detekcja fal grawitacyjnych została dokonana przez dwa detektory LIGO zlokalizowane w USA - 14 września 2015 roku (GW150914), podczas pierwszej kampanii obserwacyjnej po modernizacji trwającej od 2010 roku. Podczas drugiej kampanii obserwacyjnej, w czasie której do pomiarów dołączył europejski detektor Virgo, detektory zaobserwowały sygnał GW170817 pochodzący ze zlania się układu podwójnego gwiazd neutronowych. Oprócz sygnału w falach grawitacyjnych, w przypadku GW170817 zaobserwowano towarzyszący mu rozbłysk optyczny. Podczas trzeciego cyklu obserwacyjnego trwającego między kwietniem 2019 roku a marcem 2020, zaobserwowany został między innymi sygnał GW190814.

Dane naukowe LIGO-Virgo są dostępne do samodzielnej analizy dla każdego zainteresowanego (również te dotyczące sygnału GW190814) - można zapoznać się z nimi na dedykowanej stronie internetowej. Znajduje się tam wyjaśnienie, jak znaleźć dane z detektorów oraz przewodnik opisujący, jak analizować dane na własnym komputerze.

Źródło: LIGO-Caltech-MIT/NCBJ