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.