Skąd LIGO wie, że to czarne dziury?

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. 

Fale grawitacyjne zarejestrowane przez LIGO

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.

Który pierwiastek występuje najrzadziej? Kiedy będzie następne zaćmienie Słońca w Polsce? Co i kiedy opuści Układ Słoneczny?