Fale grawitacyjne pochodzące z masywnych czarnych dziur podważają obecne modele astrofizyczne

Na ilustracji: Wizualizacja połączenia dwóch czarnych dziur, wygenerowano za pomocą AI (ChatGPT/DALL·E, OpenAI)

Układ czarnych dziur

Dwie łączące się czarne dziury miały masy odpowiednio około 100 i 140 razy większe niż masa Słońca. Oprócz dużej masy, charakteryzowały się one również szybką rotacją, co sprawiło, że wyemitowany przez układ sygnał był wyjątkowo trudny do interpretacji i sugerował możliwość złożonej historii formowania się tego układu. Odkrycie tak masywnego i szybko wirującego układu stanowi wyzwanie nie tylko dla naszych technik analizy danych, ale będzie miało w przyszłości ogromny wpływ na teoretyczne badania kanałów formowania się czarnych dziur i modelowanie fal grawitacyjnych. W rzeczywistości obecne modele ewolucji gwiazd nie dopuszczają istnienia tak masywnych czarnych dziur. Tak masywne czarne dziury mogłyby powstać w wyniku wcześniejszych połączeń mniejszych czarnych dziur.

Do tej pory konsorcjum LVK opublikowało wyniki detekcji fal grawitacyjnych z około 100 koalescencji czarnych dziur. Układem podwójnym o największej dotąd masie było źródło sygnału GW190521, o masie całkowitej „zaledwie” 140 razy większej od masy Słońca.

Granice astronomii fal grawitacyjnych

Duża masa i ekstremalnie szybki obrót czarnych dziur w GW231123 przesuwają granice zarówno dla technologii detekcji fal grawitacyjnych, jak i obecnych modeli teoretycznych. W analizie obecnego przypadku wydobycie dokładnych informacji z sygnału wymagało zastosowania modeli teoretycznych uwzględniających złożoną dynamikę szybko rotujących czarnych dziur. Wszystko to przesunęło nasze możliwości w zakresie instrumentów i analizy danych do granic tego, co można aktualnie zrobić. Odkrycie doskonale ilustruje też, jak dużo można się nauczyć dzięki astronomii fal grawitacyjnych, i jak wiele jeszcze pozostaje do odkrycia.

Detektory fal grawitacyjnych, takie jak LIGO w Stanach Zjednoczonych, Virgo we Włoszech i KAGRA w Japonii, zostały zaprojektowane do pomiaru niewielkich oscylacji czasoprzestrzeni spowodowanych gwałtownymi wydarzeniami kosmicznymi, takimi jak łączenie się czarnych dziur. Czwarta kampania obserwacyjna LVK rozpoczęła się w maju 2023 roku, a obserwacje z pierwszej jej połowy (do stycznia 2024 roku) zostaną opublikowane późnym latem bieżącego roku.

Konsorcjum LIGO-Virgo-KAGRA

Projekt LIGO jest finansowany przez amerykańską Narodową Fundację Nauki (NSF), a zarządzany przez Caltech i MIT, które opracowały i zrealizowały projekt. Wsparcie finansowe dla projektu Advanced LIGO zapewniła Narodowa Fundacja Nauki (NSF), a Niemcy (Towarzystwo Maxa Plancka), Wielka Brytania (Rada ds. Obiektów Naukowo-Technicznych) oraz Australia (Australijska Rada ds. Badań) wniosły znaczący wkład w projekt. Ponad 1600 naukowców z całego świata uczestniczy w projekcie za pośrednictwem LIGO Scientific Collaboration, którego częścią jest GEO Collaboration.

Virgo Collaboration zrzesza obecnie około 1000 członków ze 175 instytucji w 20 różnych krajach (głównie europejskich), w tym uczonych z Polski, członków zespołu Virgo-Polgraw. Uczestnikami eksperymentu VIRGO z Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie są prof. M. Ostrowski, inż. J. Kubisz, dr hab. Ł. Stawarz i dr hab. Zenon Nieckarz.

Prowadzone przez nas prace w ramach współpracy Virgo – komentuje Prof. Ostrowski, kierownik zespołu z UJ – obejmują monitorowanie i badania propagujących się wokół Ziemi fal elektromagnetycznych ekstremalnie niskich częstości, które mogłyby zakłócać ultra precyzyjne pomiary detektorów fal grawitacyjnych.

Europejskie Obserwatorium Grawitacyjne (EGO) posiada detektor Virgo w pobliżu Pizy we Włoszech i jest finansowane przez Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) we Francji, Narodowy Instytut Fizyki Jądrowej (INFN) we Włoszech, Narodowy Instytut Fizyki Subatomowej (Nikhef) w Holandii, Fundację Badań Naukowych – Flandria (FWO), Belgijski Fundusz Badań Naukowych (F.R.S.–FNRS) oraz Polskie Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego.

Listę grup tworzących Virgo Collaboration można znaleźć na tej stronie. Więcej informacji na stronie internetowej projektu Virgo.