GW190814 - fale grawitacyjne pochodzące ze zlania się nietypowego układu podwójnego

Detektory LIGO-Virgo zarejestrowały fale grawitacyjne ze zlania się nietypowego układu podwójnego zawierającego czarną dziurę i inny zwarty, dziewięciokrotnie lżejszy obiekt, który może być albo najlżejszą wykrytą czarną dziurą albo najcięższą zaobserwowaną gwiazdą neutronową. Tak duża asymetria masy układu pozwala na nowe, precyzyjne testy ogólnej teorii względności. W badaniach biorą udział Polacy, w tym trzech naukowców z NCBJ.

W pracy, która 23 czerwca 2020 r. ukazała się w The Astrophysical Journal Letters, jednym z najbardziej prestiżowych czasopism z astronomii, konsorcjum LIGO-Virgo opisuje szczegóły analizy sygnału fal grawitacyjnych oznaczonego jako GW190814.

Sygnał GW190814 powstał w wyniku zlania, spadania na siebie, dwóch masywnych obiektów tworzących układ podwójny. Cięższy składnik tego układu miał masę 23 mas Słońca. Jest to masa typowa dla populacji czarnych dziur obserwowanych w sygnałach zarejestrowanych przez detektory LIGO-Virgo. Lżejszy obiekt natomiast miał masę w zakresie między 2.5 a 3 mas Słońca.

Układ ten jest wyjątkowy z dwóch powodów. Po pierwsze, masa cięższego obiektu jest dziewięć razy większa niż masa lżejszego obiektu, co powoduje, że jest to źródło fal grawitacyjnych o największej asymetrii mas z dotychczas zarejestrowanych. Po drugie oszacowana masa lżejszego składnika tego układu oznacza, że albo jest to najcięższa zaobserwowana dotychczas gwiazda neutronowa, albo najlżejsza zaobserwowana czarna dziura.

Sygnał GW190814 ze względu na dużą asymetrię mas składników układu podwójnego, który go wygenerował, znakomicie nadaje się do przeprowadzenia bardzo rygorystycznych testów ogólnej teorii względności w ekstremalnych warunkach. Kształt sygnału fal grawitacyjnych wynika bezpośrednio z równań Einsteina, przez co każde odstępstwo od modelu można łatwo zaobserwować. Dodatkowo sygnał GW190814 pozwolił na najlepszy do tej pory pomiar stałej Hubble’a jedynie na podstawie analizy sygnału fal grawitacyjnych.

W praca opisująca GW190814 jest wynikiem współpracy ponad tysiąca naukowców z całego świata zrzeszonych w konsorcjum LIGO-Virgo, w tym szesnastu z Polski. Trzech z nich pracuje w Narodowym Centrum Badań Jądrowych (prof. Andrzej Królak, inż. Adam Kutynia i dr Adam Zadrożny). Naukowcy z Narodowego Centrum Badań Jądrowych od 2008 roku biorą aktywny udział w pracach konsorcjum LIGO-Virgo, w tym pracach nad sygnałami pochodzącymi z rotujących gwiazd neutronowych, astronomią wielu nośników (multi-messenger astronomy) oraz nowych metod analizy danych. Narodowe Centrum Badań Jądrowych wnosi wkład w budowę europejskiego detektora fal grawitacyjnych Virgo.

Pierwsza bezpośrednia detekcja fal grawitacyjnych została dokonana przez zlokalizowane w USA dwa detektory LIGO w 2015 roku 14 września (GW150914) podczas pierwszej kampanii obserwacyjnej po modernizacji trwającej od 2010 roku. Podczas drugiej kampanii obserwacyjnej, w czasie której do pomiarów dołączył europejski detektor Virgo, detektory zaobserwowały sygnał GW170817 pochodzący od zlania się układu podwójnego gwiazd neutronowych. Oprócz sygnału w falach grawitacyjnych, dla GW170817 zaobserwowano towarzyszący mu rozbłysk optyczny. Podczas trzeciego cyklu obserwacyjnego trwającego między kwietniem 2019 r., a marcem 2020 r., zaobserwowany został między innymi sygnał GW190814.

Więcej informacji w języku angielskim można znaleźć na stronie https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ab960f.

Konsorcjum LIGO-Virgo przygotowało też streszczenie popularnonaukowe pracy w języku polskim.

Dla tych którzy chcieliby się pobawić danymi naukowymi LIGO-Virgo, w tym dotyczącymi sygnału GW190814, na stronie https://www.gw-openscience.org/ można znaleźć dane z detektorów oraz przewodniki jak analizować dane na własnym komputerze.

Publikacja wyników z trzeciej kampanii obserwacyjnej jest w trakcie. Stay tuned for more … :-)

Informację przygotował dr Adam Zadrony

Ilustracje:

• Wizja artystyczna wykrytego zdarzenia. Autor: Robert Hurt (Caltech)
• Spektrogram dla sygnału GW190814 zaobserwowanego w detektorach LIGO Hanford (u gory), LIGO Livingstone (posrodku) i Virgo (na dole). Os czasu zaczyna sie od 10s poprzedzajacych zderzenie. Grafika pochodzi z publikacji. Autor: LIGO-Virgo