Skąd wiadomo co jest źródłem wychwytywanych przez detektory LIGO fal grawitacyjnych? Dlaczego astronomowie uważają, że to czarne dziury i skąd wiedzą, gdzie doszło do ich zderzenia?

We wrześniu 2015 roku uczeni całego świata otwie­rali szampana. Obwie­ścili światu, że drogie i budowane przez wiele lat inter­fe­ro­me­try LIGO potwier­dziły ist­nie­nie postu­lo­wa­nych od dekad fal gra­wi­ta­cyj­nych. Kon­kret­niej, były to zmarszczki w sieci cza­so­prze­strzen­nej, wywołane praw­dzi­wym kosmicz­nym kata­kli­zmem: zde­rze­niem dwóch czarnych dziur. W tym, jak i pozo­sta­łych trzech przy­pad­kach reje­stro­wa­nia fal gra­wi­ta­cyj­nych, naukowcy bardzo dokład­nie wie­dzieli z czym mają do czy­nie­nia. Potra­fili podać typ zba­da­nego zda­rze­nia, określić jak daleko ono nastą­piło, a także osza­co­wać jaka była masa bio­rą­cych w nim udział obiektów. Docie­kliwy czy­tel­nik ma prawo zapytać, jak otrzy­mano tak skru­pu­latne dane? Czy widzie­li­śmy jak, dajmy na to, w jakiejś odległej o 1,3 mld lat świetl­nych galak­tyce, wpadają na siebie sto­sun­kowo nie­wiel­kie (pod względem powierzchni) czarne dziury?

Odpo­wiedź brzmi: nie. W przy­padku tak odle­głych galaktyk, nie­praw­do­po­dobne byłoby poddanie optycz­nej obser­wa­cji nawet kon­kret­nej, jasno świe­cą­cej gwiazdy (o ile nie roz­bły­śnie jako super­nowa), a co dopiero mówić o czarnej dziurze, której enig­ma­tyczny horyzont zdarzeń, nie prze­kra­cza kilkuset lub kilku tysięcy kilo­me­trów średnicy. Nasze tele­skopy, czy to naziemne czy kosmiczne, pozo­stają wobec takiego zadania cał­ko­wi­cie bezradne i pozwa­lają co najwyżej popa­trzeć sobie na samą galak­tykę, jako skupisko zle­wa­ją­cych się świe­cą­cych punktów.
 
Wszystko co wiemy o obiek­tach zare­je­stro­wa­nych przez LIGO, wiemy właśnie dzięki detek­to­rom LIGO, peł­nią­cym de facto funkcję obser­wa­to­rium. Różnica jest taka, że zamiast światła widzial­nego lub innej formy pro­mie­nio­wa­nia elek­tro­ma­gne­tycz­nego, inter­pre­tu­jemy pochwy­cone fale gra­wi­ta­cyjne. 
Wszyst­kie inte­re­su­jące nas infor­ma­cje, fizycy potrafią odczytać z takich wykresów jak ten powyżej. Dla nas  zwykłych śmier­tel­ni­ków  to tylko nic nie­zna­czący szlaczek, ale dla spe­cja­li­sty taki wykres jest rów­no­waż­ni­kiem kodu kre­sko­wego, typowego dla danego typu zjawiska fizycz­nego. LIGO polega na sys­te­mach, mających zbierać nad­cho­dzące zewsząd sygnały i spraw­dzać czy kształt widoczny na wykresie, nie przy­po­mina któregoś ze sche­ma­tów wyli­czo­nych wcze­śniej przez teo­re­ty­ków. Stąd właśnie wiemy, że taki a nie inny odczyt wskazuje na taniec dwóch eks­tre­mal­nie masyw­nych ciał, dążących do zde­rze­nia (naj­wyż­szy punkt), po którym gra­wi­ta­cyjny hałas ulega wyci­sze­niu. Zna­jo­mość amplitud i czę­sto­tli­wo­ści pozwala więc osza­co­wać z jaką masą i energią mamy do czy­nie­nia. Z kolei dzięki temu, że dys­po­nu­jemy dwoma inter­fe­ro­me­trami (wła­ści­wie nawet trzema, uwzględ­nia­jąc euro­pej­skie Virgo), jesteśmy w stanie ustalić poło­że­nie badanego układu. Wystar­czy spraw­dzić, który detektor wykrył falę jako pierwszy i z jakim wyprze­dze­niem w stosunku do reszty, aby wywnio­sko­wać z którego kierunku ona do nas dobiegła. Oczy­wi­ście większa liczba obser­wa­to­riów popra­wi­łaby precyzję, ale i tak nie mamy się czego wstydzić.

A skąd wiadomo, że zderzyły się akurat czarne dziury, a nie np. białe karły albo gwiazdy neu­tro­nowe? O tym decyduje już sama teoria astro­fi­zyki. Kiedy wiemy już, że badane obiekty mają masy większe od około 20 mas Słońca, wręcz powin­ni­śmy założyć, iż są one zbyt masywne na bycie innym typem kosmicz­nych trupów niż czarne dziury. Warto tu dodać, że detekcja fal gra­wi­ta­cyj­nych to pierwsza i na razie jedyna, prak­tyczna metoda reje­stro­wa­nia tak odle­głych kosmicz­nych widowisk.
  • Mikołaj Kar­kow­ski

    Dzień dobry, czy będzie w nie­da­le­kiej przy­szło­ści dłuższy artykuł ?

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk

      Ale jaki­kol­wiek dłuższy artykuł, czy artykuł doty­czący czegoś kon­kret­nego?

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • Mikołaj Kar­kow­ski

        No artykuł ogólnie jaki­kol­wiek. Że tak powiem poważ­niej­szy niż komu­ni­kwanty.

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • http://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk

        W ciągu ostat­nich dwóch tygodni, poza komu­ni­kwan­tami był jeszcze “Nobel za fale gra­wi­ta­cyjne” i “Stożki świetlne”. Robicie się zachłanni. ^^ Ale potrak­tuję to jako kom­ple­ment.

        A kiedy będzie — nie wiem. Akurat te naj­lep­sze i dłuższe teksty właśnie powstają bez żadnego har­mo­no­gramu. Musi przyjść wena i wpaść w oko jakiś nie dający spać po nocach temat. 😉

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Adam

    Przede wszyst­kim dziekuje, ze pro­wa­dzisz ten blog. Robisz nie­sa­mo­wita robote! Mam tez pytanie o to, kiedy przed­mio­towe zderzeni mialo miejsce. Jako laik zakladam, ze szybkosc dotarcia do nas takiego sygnalu nie moze byc wieksza niz predkosc swiatla — a czy to znaczy ze samo zde­rze­nie mialo miejsce ponad mld lat temu a obecnie jego efekt, czyli fala do nas dotarla?

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk

      Dokład­nie tak jak piszesz. Z falami gra­wi­ta­cyj­nymi jest podobnie jak z obser­wa­cją optyczną. Gdybyśmy mieli moż­li­wość wyła­py­wa­nia fal i jed­no­cze­snego pod­glą­da­nia tele­sko­pem tego zda­rze­nia, to oba sygnały dotar­łyby do nas jed­no­cze­śnie. Wszystko wskazuje na to, że oddzia­ły­wa­nie gra­wi­ta­cyjne, roznoszą się z pręd­ko­ścią światła, a więc zde­rze­nie czarnych dziur miało miejsce 1,3 mld lat świetl­nych stąd i jed­no­cze­śnie nastą­piło 1,3 mld lat temu.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • Grzegorz Dudek

        Nie aż tak dokład­nie 😛 Zde­rze­nie miało miejsce 1,3 mld lat świetl­nych stąd ale nastą­piło wcze­śniej niż 1,3 mld lat temu. Wszystko przez roz­sze­rza­nie się Wszech­świata. W czasie kiedy sygnał do nas biegł obser­wo­wana czarna dziura oddaliła się.
        Ten sam efekt powoduje, że Wszech­świat mimo ok. 13,3 mld lat wieku ma 96 mld lat świetl­nych średnicy (przy­naj­mniej obser­wo­walny) — po prostu zdążył urosnąć w tym czasie.

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Rafał Szampera

    W sumie to jedna rzecz mnie zasta­na­wia, skoro zde­rze­nie miało miejsce 1,3 mld lat temu, to jak bardzo, dodat­kowo, odległy jest od nas teraz ten obiekt?
    Jak bardzo prze­strzeń mię­dzy­nami zdążyła napuch­nąć?

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • Dominik Kurek

      W artykule jest przecież mowa o odle­gło­ści

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Patryk

    Cześć, dlaczego powin­ni­śmy założyć, że obiekty o masie 20x większą od słońca to muszą być czarne dziury?
    Z tego co się orien­tuję to naj­więk­sze znane nam gwiazdy są dużo bardziej masywne.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk

      To prawda, ale z uwagi na gabaryty i gęstość (np. Canis Majoris ma baaaar­dzo małą gęstość), wiemy, że w ten sposób wirować mogą jedynie małe obiekty — jak białe karły, gwiazdy neu­tro­nowe lub właśnie czarne dziury.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • Patryk

        Dzięki!

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Tomek Kotek

    Jak zawsze świetny artykuł. Brawo.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0