Rejestracja fal grawitacyjnych w wyniku kolizji dwóch gwiazd neutronowych jest swoistym przełomem i zapoczątkowaniem nowej ery w rozwoju kosmologii.
W poniedziałek 16 października ogłoszono oficjalnie, że detektory LIGO w USA i VIRGO we Włoszech dokonały 17 sierpnia 2017 r. pierwszej detekcji zaburzeń czasoprzestrzeni - fal grawitacyjnych wytwarzanych przy kolizji gwiazd neutronowych. Nadano im oznaczenie GW170817. Pierwszy raz w historii wydarzenie kosmiczne z jednego źródła zostało zarejestrowane jednocześnie przez obserwatoria fal grawitacyjnych – 3 detektory oraz fal elektromagnetycznych w 70 obserwatoriach naziemnych oraz kosmicznych.
Od tego czasu mamy możliwość wykorzystania wielu różnych kanałów otrzymywania informacji o zdarzeniach kosmicznych.
Poniższa ilustracja przedstawia lokalizację fali grawitacyjnej (z sieci globalnej LIGO-VIRGO 3-detektory), promieniowania gamma (z satelity Fermi - Fermi Gamma-ray Space Telescope i INTEGRAL - International Gamma Ray Astrophysics Laboratory) oraz sygnały optyczne zarejestrowane 17 sierpnia 2017. Barwne obszary wskazują regiony nieba - lokalizujące zdarzenie, oszacowane poprzez obserwację promieniowania gamma (γ-ray burst GRB) - na niebiesko przez Fermi Gamma-ray Space Telescope oraz przez detektory fal grawitacyjnych - na zielono. Wstawki po prawej stronie pokazują lokalizację galaktyki NGC4993: na zdjęciu górnym zarejestrowanym prawie 11 godzin po wykryciu sygnałów grawitacyjnych i promieniowania gamma widoczne jest nowe źródło, którego nie było tam trzy tygodnie przed tą kosmiczną koalescencją na dolnym zdjęciu przedstawiającym ten sam obszar nieba.
Kliknij! … Także kliknij i obejrzyj animację!
Pierwszy odebrał sygnał jeden z detektorów fal grawitacyjnych na amerykańskim kontynencie. Na podstawie niewielkiej różnicy czasu odbioru sygnału z pozostałych dwóch detektorów, udało się określić kierunek, gdzie nastąpiło zdarzenie.
Kombinacja danych z około 70-ciu różnego typu obserwatoriów rozrzuconych w różnych miejscach Ziemi i w kosmosie , pozwoliła precyzyjnie określić na niebie miejsce, gdzie nastąpiła kolizja gwiazd neutronowych.
Fale grawitacyjne i elektromagnetyczne powstały tam 130 milionów lat temu, gdy na Ziemi panowały dinozaury. Jak myślisz, które fale dotarły do nas wcześniej?
– Kliknij i obejrzyj animację wyścigu , który po raz pierwszy potwierdził przewidywaną wcześniej prędkość rozchodzenia się fal grawitacyjnych.
Nastąpiło to na peryferiach galaktyki NGC 4993 odległej od nas o 40 Megaparseków, czyli około 130 milionów lat światła. Uważa się, że jest to względnie niewielka odległość. Poprzednie rejestracje fal grawitacyjnych były oddalone od Ziemi miliard i więcej lat światła.
Źródło sygnału stanowiły dwa obiekty o masie 1,1 i 1,6 mas Słońca. Te obiekty były wiele lżejsze od źródeł pierwszych zaobserwowanych fal grawitacyjnych – czarnych dziur o masie 36 i 29 mas Słońca. Jednak bliższa odległość tych dwóch gwiazd od nas, pozwoliła odebrać sygnał o ich kolizji. Gwiazdy neutronowe mają masę porównywalną do Słońca, ale ich gęstość jest ogromna – ich promień może mieć 10-20 km.
Astronomowie zarejestrowali poza promieniowaniem gamma także inne rodzaje fal elektromagnetycznych wywołane kolizją tych gwiazd neutronowych w zakresie pasma: rentgenowskiego, ultrafioletowego, optycznego, podczerwonego i radiowego.
"It is the first time that we've observed a cataclysmic astrophysical event in both gravitational and electromagnetic waves" – powiedział prof. David Reitze z California Institute of Technology (Caltech) w Pasadena i jednocześnie jeden z dyrektorów projektu LIGO.
W wyniku tych wielorakich obserwacji nawet najwięksi sceptycy wątpiący w istnienie fal grawitacyjnych przewidzianych przez Einsteina w jego Ogólnej Teorii Względności powinni już odrzucić swój sceptycyzm. Mogą już uznać, że istnienie fal grawitacyjnych zostało niewątpliwie potwierdzone przy pomocy różnych metod pomiaru.
Te wielorakie obserwacje pozwalają odtworzyć scenariusz tego kosmicznego zdarzenia: para gwiazd neutronowych obracała się wokół wspólnego środka masy, stopniowo tracąc energię w postaci fal grawitacyjnych i zbliżając się. Kiedy odległość między nimi zmniejszyła się do 300 km, fale grawitacyjne osiągnęły dostateczną moc, aby znaleźć się w zakresie czułości detektorów LIGO/VIRGO. Ocenia się, że gwiazdy zdążyły dokonać około 1500 obrotów wokół siebie. W momencie zlania się w jeden kompaktowy obiekt – gwiazdę neutronową, albo czarną dziurę – nastąpił rozbłysk gamma o wielkiej mocy, który trwał 1,7 sekundy.
Tak kolizję gwiazd neutronowych mogli obserwować astronomowie:
Na podstawie analizy widm otrzymanych przy pomocy teleskopów Hubble’a i VLT stwierdzono obecność cezu, telluru, złota, platyny i innych ciężkich pierwiastków wytworzonych przy zlaniu się gwiazd neutronowych . Oszacowano, że ilość wytworzonego złota może być ogromna – do dziesięciu mas Księżyca.
Aktualnie trwa modernizacja detektorów LIGO i VIRGO. Za rok czułość kompleksu LIGO stanie się dwa razy większa i będzie miał możliwość skanowania obszar nieba 8 razy większy od aktualnych możliwości. Astrofizycy mają nadzieję znajdować fale grawitacyjne powstające przy kolizji gwiazd neutronowych nie rzadziej niż raz na miesiąc. A być może zostaną wykryte zupełnie nowe obiekty kosmiczne, o których nikt teraz nie ma pojęcia. I pojawi się nowa era w kosmologii.
W zasadzie ta nowa era już się rozpoczęła. Elena Pian, astronom z Narodowego Instytutu Astrofizyki w Rzymie stwierdziła: „Rzadko zdarzają się przypadki, gdy uczony ma szanse stać się świadkiem nowej ery w nauce. A teraz właśnie nastąpił jeden z takich przypadków”.
I właśnie wszyscy jesteśmy obserwatorami pierwszego przykładu nowej kosmologii, która nazywa się Multimessenger Astronomy, to jest astronomii korzystającej z różnych kanałów otrzymywania informacji.
Appendix:
Kosmologia ma pewien problem związany z precyzyjnym określeniem stałej Hubble’a. Dwie metody wykorzystywane przez naukowców do pomiaru ekspansji Wszechświata dają różne odpowiedzi. Od dawna wiadomo, że Wszechświat rozszerza się w tempie dyktowanym przez stałą Hubble’a. Wartość Hubble'a jest uważana za fundamentalną stałą, podobnie jak prędkość światła, ale astronomowie mogą obliczyć jej wartość tylko poprzez pomiar innych zjawisk we Wszechświecie. I ich wartości są różne w zależności od sposobu pomiaru.
Używając teleskopu Hubble'a do pomiaru światła z szeregu supernowy typu 1a, badanie przeprowadzone w 2001 roku wykazało 8-procentową niezgodność wartości stałej Hubble'a w porównaniu z metodą przy użyciu precyzyjnych pomiarów CMB. Innymi słowy, teleskop kosmiczny Hubble'a odnotował szybszy stopień uniwersalnej ekspansji niż w przypadku pomiarów CMB.
Pomiary CMB przy pomocy Teleskopu Planck w ramach Europejskiej Agencji Kosmicznej w 2015 r. dały wartość stałej Hubble’a około 66,9 km na sekundę na megaparsek. Natomiast inne eksperymenty wymagające mnóstwa galaktycznych obserwacji pozwalają określić wartość stałej około 73 km/sek Mpc.
Teraz astronomowie mogli wykorzystać rezultaty kolizji gwiazd neutronowych do pomiaru stałej Hubble’a bez dodatkowych obserwacji. Niestety, dokładność pomiarów okazała się zbyt mała, aby określić która z dwóch już określonych wartości jest bliższa rzeczywistej.
Różnice w oszacowaniach stałej Hubble’a mogą odzwierciedlać coś, czego astronomowie nie rozumieją o wczesnym Wszechświecie. I może coś znaczącego we Wszechświecie zmieniło się w czasie, co dało inny wynik z poświaty Big Bangu w stosunku do rezultatów otrzymywanych z pomiarów supernowych. A może właściwości ciemnej materii zmieniają się we Wszechświecie?
A może standardowy model kosmologii – podstawowy opis Wszechświata nie jest kompletny?
Czy trzeba będzie opracowywać nowy model kosmologii?
A może Ogólna Teoria Względności ma jakieś braki?
Niektórzy nawet przypuszczają za profesorem Sherry Suyu, że rozbieżności mogą wskazywać na nową fizykę poza naszą obecną wiedzą o Wszechświecie.
Takie problemy rozważają kosmologowie. Można jednak mieć nadzieje, że modernizacja detektorów fal grawitacyjnych i przyszłe badania kolizji gwiazd neutronowych przyczynią się do wyjaśnienia problemów z wartością stałej Hubble’a.
Komentarze