Konsorcjum LIGO Scientific Collaboration i Virgo Collaboration zidentifikowało drugi sygnał fali grawitacyjnej w danych detektorów LIGO
26 grudnia 2015, o 03:38:53 czasu uniwersalnego koordynowanego, naukowcy zaobserwowali fale grawitacyjne – zmarszczki czasoprzestrzeni – po raz drugi w historii.
Fale grawitacyjne zostały wykryte przez bliźniacze detektory Laserowego Obserwatorium Fal Grawitacyjnych LIGO znajdujące się w miejscowościach Livingston w stanie Luizjana i Hanford w stanie Waszyngton (Stany Zjednoczone).
Fale grawitacyjne dostarczają informacji o swoim pochodzeniu i o naturze grawitacji, których nie można pozyskać w żaden inny sposób. Fizycy ustalili, że zaobserwowane fale grawitacyjne powstały w końcowej fazie procesu połączenia się dwóch czarnych dziur o masach 14 i 8 mas Słońca, w wyniku którego powstała większa wirująca czarna dziura o masie 21 mas Słońca.
Z powodu mniejszej masy, czarne dziury przez dłuższy czas niż poprzednio zaobserwowane – przez około sekundę – pozostawały w paśmie czułości detektora. To obiecujący początek określenia populacji czarnych dziur we Wszechświecie.
Podczas zderzenia, które nastąpiło około 1,4 mld lat temu, pewna ilość energii – odpowiadająca mniej więcej masie Słońca – została przekształcona w fale grawitacyjne. Wykryty sygnał pochodzi z ostatnich 27 orbit czarnych dziur przed ich połączeniem. Na podstawie czasu nadejścia sygnałów - detektor w Livingston zmierzył falę grawitacyjną z wyprzedzeniem 1,1 milisekundy w stosunku do detektora w Hanford - można w przybliżeniu określić pozycję źródła fali na niebie.
Oba niedawne odkrycia, GW150914 i GW151226, były możliwe dzięki zwiększonym zdolnościom detektorów Advanced LIGO, w których poprawiono czułość w stosunku do pierwszej generacji detektorów LIGO, umożliwiając w ten sposób znaczące powiększenie badanego obszaru Wszechświata. Mając za sobą dwa ważne odkrycia w ciągu pierwszych czterech miesięcy obserwacji, naukowcy mogą przewidywać jak często będziemy odkrywać nowe fale grawitacyjne w przyszłości.
Następny cykl zbierania danych przez detektor Advanced LIGO rozpocznie się jesienią. Do tego czasu zostaną wprowadzone kolejne ulepszenia zmierzające do poprawy czułości, które mają zwiększyć przestrzeń objętą badaniem o 1,5 do 2 razy. W jesiennej kampanii obserwacyjnej do rosnącej sieci detektorów fal grawitacyjnych, działających wspólnie z teleskopami naziemnymi, dołączy europejski interferometr Virgo. Sieć trzech interferometrów umożliwi znacznie dokładniejszą lokalizację sygnałów na niebie.
Program badawczy LIGO realizuje LIGO Scientific Collaboration (LSC), grupa ponad tysiąca naukowców z różnych uniwersytetów w Stanach Zjednoczonych i z 14 innych krajów. Ponad 90 uczelni i instytutów badawczych rozwija technologię wykrywania fal i analizuje dane w ramach LSC; w projekcie aktywnie uczestniczy około 250 studentów. W skład sieci detektorów LSC wchodzą interferometry LIGO i detektor GEO600.
Program badawczy Virgo jest realizowany przez zespół Virgo Collaboration, składający się z ponad 250 fizyków i inżynierów należących do 19 różnych grup badawczych z Europy, w tym sześciu związanych z Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) we Francji, ośmiu z Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) we Włoszech, dwóch z Nikhef w Holandii, grupą Wigner RCP z Węgier, POLGRAW z Polski oraz Europejskim Obserwatorium Grawitacyjnym EGO (European Gravitational Observatory), które posiada detektor Virgo znajdujący się niedaleko Pizy we Włoszech.
„W analizie odkrycia bardzo ważny był również warsztat matematyczny. Tu istotny wkład miał polski zespół. Tradycje matematyczne były w Polsce zawsze bardzo silne” – komentuje Prof. Paweł Rowiński, wiceprezes Polskiej Akademii Nauk.
W badaniach brało udział 14 polskich naukowców pracujących w grupie POLGRAW, która jest członkiem projektu Virgo. Stworzyli oni podstawy wielu algorytmów i metod służących do wykrycia i estymacji parametrów fal grawitacyjnych z układów podwójnych (prof. dr hab. Andrzej Królak, prof. dr hab. Piotr Jaranowski), przyczynili się do precyzyjnego modelowania sygnału fali grawitacyjnej z układu podwójnego (prof. dr hab. Piotr Jaranowski, prof. dr hab. Andrzej Królak), przeprowadzili symulacje pokazujące, że układy podwójne czarnych dziur są najlepiej wykrywalnymi przez detektory LIGO-Virgo źródłami promieniowania grawitacyjnego (prof. dr hab. Tomasz Bulik), badali astrofizyczne własności układów podwójnych (dr hab. Michał Bejger, dr Izabela Kowalska-Leszczyńska, dr hab. Dorota Rosińska), oraz poszukiwali mogących towarzyszyć zdarzeniu błysków optycznych (dr Adam Zadrożny).
Do urzeczywistnienia odkrycia przyczyniła się również praca prof. dr. hab. Andrzeja Królaka jako członka Zarządu projektu Virgo i członka Komisji Analizy Danych konsorcjum LIGO-Virgo. Ponadto prof. dr hab. Tomasz Bulik był redaktorem rozdziału jednej z prac opisujących odkrycie, a prof. dr hab. Andrzej Królak był jednym z wewnętrznych recenzentów tej pracy.
Dziewięciu naukowców z grupy POLGRAW znalazło się wśród autorów publikacji, w której ogłoszono zarejestrowanie fali grawitacyjnej po raz drugi. Są w niej cytowane prace profesorów Bulika, Jaranowskiego i Królaka.
Z kolei symulacje dotyczące liczby zlewających się ukladów podwójnych gwiazd neutronowych i czarnych dziur prowadzi polsko-amerykański zespół kierowany przez prof. Krzysztofa Belczyńskiego z Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Warszawskiego (we współpracy z prof. dr. hab. Tomaszem Bulikiem), który już kilka lat temu przewidział, że pierwszym bezpośrednio obserwowanym źródłem fal grawitacyjnych będzie kolizja czarnych dziur.
