Fale grawitacyjne możemy zaobserwować za pomocą lasera, kilku luster i kilkukilometrowych ramion wypełnionych próżnią. Metoda ta zwana jest interferometrią. Zaraz po pierwszej detekcji z 2015 roku, zalała nas fala nowych odkryć. 23 czerwca tego roku potwierdzono obserwację kolejnego połączenia czarnej dziury z… no właśnie. Z czym?

GW190814 to fala grawitacyjna zaobserwowana, jak możemy odczytać ze skrótu, 14 sierpnia 2019 roku. Docierając na ziemię, spowodowała ona zniekształcenie czasoprzestrzeni, przez co lustra w obserwatoriach LIGO/Virgo zadrżały. Było to odchylenie rzędu jednej stumilionowej atomu. Załóżmy, że atom jest wielkości stadionu piłkarskiego. Piłka, umieszczona na środku boiska, jest w tej skali więc jądrem atomowym. Natomiast atom w tej piłce jest właśnie jedną stumilionową atomu. To bardzo niewiele. 

Zacznijmy jednak od początku. Interferometr Michelsona jest zbudowany z dwóch prostopadłych, długich ramion. Są to cztero- lub trzykilometrowe rury, w których panuje próżnia. Jedno z nich, na początku ma laser, który emituje wiązkę światła. Docierając do przecięcia ramion, wiązka ta rozdziela się na pół na płytce półprzepuszczalnej. Następnie odbija się na końcu każdego z ramion przy pomocy lustra, wraca na płytkę i tam obie wiązki równolegle lecą już do detektora, gdzie dochodzi do interferencji. Długość ramion jest dopasowana w ten sposób, że gdy lustra się nie ruszają, to wiązki interferują ze sobą w sposób destruktywny – detektor nie wykrywa żadnego światła. Inaczej, gdy dochodzi do zniekształcenia przestrzeni pomiędzy lustrami, wtedy jedno z ramion staje się dłuższe, a drugie krótsze. W tym wypadku, mamy do czynienia z interferencją konstruktywną. Właśnie tak, w wielkim skrócie, obserwujemy fale grawitacyjne.

Pierwszym zaobserwowanym sygnałem, który dotarł do nas, był ten z koalescencji dwóch czarnych dziur, gdzieś 1.3 miliarda lat świetlnych stąd. Następnie dokonano detekcji jeszcze kilku podobnych zdarzeń. Kolejnym przełomowym odkryciem był sygnał GW170817 z towarzyszącym mu rozbłyskiem gamma, pochodzącym z połączenia dwóch gwiazd neutronowych. Umiemy więc zaobserwować połączenie zarówno dwóch czarnych dziur, jak i dwóch gwiazd neutronowych. A co, jeśli masywna czarna dziura połączy się z gwiazdą neutronową? 

LIGO

Wizja artystyczna – czarna dziura i gwiazda neutronowa

Sygnał GW190814 zaobserwowano na skutek połączenia dwóch składników układu podwójnego oddalonego o ok. 800 milionów lat świetlnych. Jeden z nich, to z pewnością czarna dziura o masie 23 mas Słońca, natomiast drugi z nich ma masę 2.6 mas Słońca. No i tutaj nie wiemy, co to mogło być. Sama masa mówi nam niewiele – może to być zarówno lekka czarna dziura, jak i dość masywna gwiazda neutronowa. W odkryciu brały udział zarówno oba detektory LIGO – Hanford i Livingston, jak i włoski Virgo. Nie zaobserwowano natomiast żadnych zmian w promieniowaniu elektromagnetycznym. 

Gdy umiera masywna gwiazda, może ona skończyć albo jako czarna dziura, albo jako gwiazda neutronowa. Masa najlżejszej takiej czarnej dziury wynosi 5 mas Słońca, a najcięższej gwiazdy neutronowej tylko 2.5 masy Słońca. Jednak co znajduje się pomiędzy? Obiekt zaobserwowany w GW190814, o masie 2.6 mas Słońca, jest czymś zupełnie nowym. Pokazuje, że coś musi się znajdować pomiędzy, w tak zwanej “przerwie masowej” (mass gap). Może to być zarówno najcięższa znana dotąd gwiazda neutronowa, jak i najlżejsza zaobserwowana czarna dziura. 

LIGO

Masy znanych czarnych dziur i gwiazd neutronowych w masach Słońca

Kolejnym ważnym aspektem jest duża różnica mas obu składników. Ich stosunek wynosi aż 1 do 9! Dla porównania, pierwsza zaobserwowana fala grawitacyjna pochodziła z koalescencji obiektów o masach 29 i 36 mas Słońca, a składniki z GW190412, uważane dotąd za najbardziej asymetryczne pod względem masywności miały 8 i 30 mas Słońca, czyli ich stosunek wynosił 1:4. Tak naprawdę, jeszcze żaden model teoretyczny nie przewidywał połączenia dwóch obiektów o tak rozbieżnych masach, gdzie jeden z nich znajdowałby się w “przerwie masowej”. Co to dla nas znaczy i czy będzie to coś przełomowego? Z pewnością, a o tym dowiemy się prawdopodobnie w niedalekiej przyszłości.