Polacy przewidzieli, że fale grawitacyjne odkryjemy dzięki czarnym dziurom

Polsko-amerykański zespół, kierowany przez prof. Krzysztofa Belczyńskiego, już sześć lat temu przewidział, że pierwszym źródłem fal będzie kolizja czarnych dziur, a nie gwiazd neutronowych.

Fale grawitacyjne według symulacji NASA

Choć naukowy świat wykrycie fal grawitacyjnych świętuje od kilku dni, to polsko-amerykański zespół kierowany przez prof. Krzysztofa Belczyńskiego już w 2010 roku wykazał, że pierwszą detekcję fal grawitacyjnych umożliwi zderzenie dwóch czarnych dziur, a nie - jak przewidywano - dwóch gwiazd neutronowych.

Naukowcy wyliczyli też, że suma mas obu czarnych dziur tej detekcji wyniesie od 20 do 80 mas Słońca. Wyniki były rezultatem obliczeń dr. Michała Dominika, który obronił swoją pracę doktorską w 2014 roku w Obserwatorium Astronomicznym Uniwersytetu Warszawskiego właśnie pod kierunkiem prof. Belczyńskiego.

Pierwszy znaczący krok do odkrycia fal grawitacyjnych wykonali w latach 70. ubiegłego wieku amerykańscy fizycy Russell A. Hulse i Joseph H. Taylor. Odkryli oni istnienie pierwszego układu dwóch gwiazd neutronowych, które powoli zbliżają się do siebie. To w wyniku ich zderzenia - za około 300 milionów lat - ma nastąpić silna emisja fal grawitacyjnych. Za to odkrycie otrzymali w 1993 roku Nagrodę Nobla.

Zajmujący się zagadnieniem astronomowie zaczęli jednak przypuszczać, że takich obiektów może być znacznie więcej. - Na tyle dużo, że każdego roku może dochodzić do zderzenia dwóch, a nawet większej liczby gwiazd neutronowych. Trzeba tylko sięgnąć odpowiednio głęboko w otaczający kosmos, aby te zderzenia zaobserwować - tłumaczy prof. Belczyński. Temu miało służyć - zbudowane w latach 90. ubiegłego wieku - obserwatorium grawitacyjne LIGO. 

Naukowcy podejrzewali, że tego rodzaju fale muszą generować nie tylko gwiazdy neutronowe, ale także czarne dziury. Do powstania bardzo silnych fal grawitacyjnych powinno prowadzić w szczególności zderzenie czarnej dziury z gwiazdą neutronową, lub zderzenie dwóch czarnych dziur. 

Przełom w zrozumieniu powstawania czarnych dziur nadszedł w 2010 roku. Teoretyczne badania nad ewolucją najmasywniejszych gwiazd pozwoliły polsko-amerykańskiemu zespołowi - kierowanemu przez prof. Belczyńskiego - na przedstawienie nowej teorii powstawania czarnych dziur.

W pierwszym kroku naukowcy pokazali, że czarne dziury mogą ważyć aż 80 mas Słońca, a nie tylko 10-20 mas jak przypuszczano do tamtej chwili. - Ten wynik miał olbrzymi wpływ na ocenę szansy detekcji fal grawitacyjnych. Im cięższe są czarne dziury, tym silniejsze fale grawitacyjne produkuje ich zderzenie i tym łatwiej je dostrzec - wyjaśnia prof. Belczyński.

Potem naukowcy wykazali, że dotychczasowe oszacowania ilości zderzeń czarnych dziur we Wszechświecie były całkowicie nieprawidłowe, co więcej - że wiele z układów z czarnymi dziurami znajdowała się w zasięgu widoczności obserwatorium LIGO, co znaczyło, że łatwiejsze do zaobserwowania będzie właśnie zderzenie czarnych dziur.

W trzecim kroku te czysto teoretyczne przewidywania znalazły pierwsze poparcie obserwacyjne. 

W latach 2010-2015 obserwatorium LIGO przeszło intensywne prace zwiększające czułość i zasięg obserwacji. Badania prowadzone w "odnowionym" obserwatorium umożliwiły pierwszą detekcję fal grawitacyjnych i potwierdziły przewidywania polsko-amerykańskiego zespołu.

(ew/PAP-Nauka w Polsce)