Dowody na istnienie tła fal grawitacyjnych. Supermasywne czarne dziury zakrzywiają czasoprzestrzeń

Impulsy radiowe z ponad 100 szybko wirujących obiektów zostały zsynchronizowane przez zespół astronomów i fizyków. Wczoraj naukowcy ogłosili przełomowe wyniki, które świadczą o obecności tła fal grawitacyjnych, które wypełniają kosmos. Dowody na istnienie tła fal grawitacyjnych zostały przedstawione przez NANOGrav.

Tło fali grawitacyjnej to ciągły pomruk fal o niskiej częstotliwości w czasoprzestrzeni, który emanuje z niektórych z najbardziej „egzotycznych” obiektów we wszechświecie. Fala grawitacyjna jest to przemieszczające się w próżni z prędkością światła odkształcenie w czasoprzestrzeni. Fale grawitacyjne po raz pierwszy zostały zaobserwowane w 2015 roku. 

Ogłoszone teraz odkrycie jest potwierdzeniem wcześniejszych teorii oraz sugestii z danych synchronizacji pulsarów. Sygnał o niskiej częstotliwości pochodzący z najmasywniejszych obiektów we wszechświecie, prawdopodobnie supermasywnych czarnych dziur, przenika kosmos.   

Nowe odkrycia zostały dokonane przez Chinese Pulsar Timing Array (CPTA), European Pulsar Timing Array (EPTA), Indian Pulsar Timing Array (InPTA), Parkes Pulsar Timing Array (PPTA) oraz North American Nanohertz Observatory for Gravitational Fale (NANOGrav).   

Na pierwszym miejscu jako źródło tła fal grawitacyjnych naukowcy stawiają supermasywne układy podwójne czarnych dziur lub pary tych absurdalnie masywnych obiektów, które krążą wokół siebie przez setki milionów lat, by finalnie połączyć się w wyniku najbardziej ekstremalnych wydarzeń we wszechświecie. Do tej pory jednak te przewidywania nie zostały potwierdzone obserwacyjnie.  

Pierwszym fizykiem, który przewidywał istnienie fal grawitacyjnych, był Albert Einstein. W swojej ogólnej teorii względności twierdzi, że fale są zmianami pola grawitacyjnego, które poruszają się z prędkością światła. Fale grawitacyjne rzeczywiście powstają w wyniku interakcji masywnych obiektów we wszechświecie, jakimi są na przykład czarne dziury. Kiedy czarne dziury zderzają się ze sobą bądź z innymi supermasywnymi obiektami, jak na przykład gwiazdy neutronowe, w wyniku tej interakcji powstają fale grawitacyjne. 

W 2021 roku po raz pierwszy dokonano potwierdzonego wykrycia połączenia czarnej dziury z gwiazdą neutronową. Gwiazda neutronowa powstaje w wyniku ewolucji gwiazd o dużych masach, są one tak gęste, że elektrony wirujące wokół ich składowych atomów zapadają się na protony atomów, co sprawia, że jej ośrodek składa się głównie z neutronów, stąd ich nazwa.

Fale grawitacyjne po raz pierwszy zostały wyryte w 2015 roku przez Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (lub LIGO, obecnie część współpracy LIGO-Virgo-KAGRA), który wykrył zmarszczki w czasoprzestrzeni. Kiedy fale grawitacyjne przemieszczają się przez Ziemię, nieznacznie zmienia się odległość między lustrami LIGO mierzona światłem lasera. Wskazuje to na zakrzywienie czasoprzestrzeni, która została zgnieciona bądź rozciągnięta. Jednak samo tło fali grawitacyjnej jest o wiele trudniejsze do wykrycia. Jest to znacznie cichszy i subtelniejszy sygnał. 

Fale grawitacyjne wykryte przez LIGO pochodzą z fuzji czarnych dziur o masie gwiezdnej. Natomiast tło fali grawitacyjnej, mimo że delikatniejsze, pochodzi od najbardziej masywnych obiektów wszechświata, supermasywnych czarnych dziur o masie miliardów mas Słońca. Dotyczy to fal grawitacyjnych o niższej częstotliwości w zakresie nanoherców, które generowane są właśnie przez te ogromne niewyobrażalnie obiekty.  

Najnowsze odkrycie uzupełnia detekcję fal grawitacyjnych przez LIGO, które wykazywały się wyższą częstotliwością. Odkrycia, opisane zostały w serii artykułów w „The Astrophysical Journal Letters”, pochodzą z trwających 15 lat obserwacji przeprowadzonych przez North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves ( NANOGrav ).