Łączące się czarne dziury powodują kołysanie “materiału”, z którego zbudowane są przestrzeń i czas. Powstające fale grawitacyjne są początkowo niewielkie, rosną do olbrzymich rozmiarów w momencie zderzenia obiektów, a następnie rezonują niczym gong. To wszystko wynika z nowego modelu komputerowego opracowanego przez grupę uczonych badających równania Einsteina. Przedstawili oni swoje wyniki w czasie Czwartego Międzynarodowego Sympozjum na temat Promieniowania Grawitacyjnego, które odbyło się w zeszłym tygodniu w Penn State University.

Fale grawitacyjne są formą promieniowania, której istnienie przewidział Albert Einstein. Dotychczas jednak nie zostały one zaobserwowane w sposób bezpośredni. “Zderzenie dwóch czarnych dziur jest najbardziej spektakularnym przejawem ogólnej teorii względności” – powiedział Lee Samuel Finn, dyrektor Centrum Fizyki Fal Grawitacyjnych w Penn State i przewodniczący sympozjum.

Fale grawitacyjne są jedynym sposobem, w jaki możemy obserwować zlewające się czarne dziury” – powiedział John Baker z NASA. “Ten model jest pierwszym krokiem w kierunku zrozumienia, jak takie fale wyglądają“.

Baker i jego współpracownicy, Manuela Campanelli i Carlos Lousto z Uniwersytetu stanu Teksas w Brownsville oraz Ryoji Takahashi z Centrum Astrofizyki Teoretycznej w Kopenhadze opublikowali ostatnio w Physical Review D. artykuł na temat swojego modelu. W zeszłym tygodniu Baker przedstawił go na sympozjum zespołu LISA.

Zmarszczki fal grawitacyjnych poruszają się w przestrzeni niczym fale po powierzchni oceanu. Te egzotyczne fale otwierają nam nowe okno, przez które możemy obserwować Wszechświat i mogą dostarczyć informacji na temat czarnych dziur i wybuchów gwiazd, a także na temat samego Wielkiego Wybuchu. Fale grawitacyjne są wywoływane przez poruszające się ciała obdarzone masą. Promieniowanie grawitacyjne rozchodzi się z prędkością światła i z różnymi długościami fali, unosząc energię ze źródła.

W przeciwieństwie do fal elektromagnetycznych (na przykład światła), fale grawitacyjne bardzo słabo oddziałują z materią. Przechodząca fala grawitacyjna zmienia odległość między obiektami. Zdają się one unosić i opadać na każdym grzbiecie fali, niczym boje na oceanie. Nawet w przypadku obiektów odległych od siebie tak bardzo jak Ziemia od Księżyca, fala grawitacyjna powoduje zmianę ich odległości o tysięczną część rozmiarów atomu.

Eksperyment Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) w stanach: Waszyngton i Luizjana będzie być może w stanie zmierzyć zmiany odległości wywoływane przez ten rodzaj promieniowania. Wspólna misja NASA i ESA, Interferometer Space Antenna (LISA) będzie próbował zrobić to samo w Kosmosie. Jednak oba te eksperymenty wymagają zbudowania takiego modelu, według którego możliwe będzie interpretowanie zebranych danych.

Te obliczenia pozwolą nam przyjrzeć się po raz pierwszy sygnałom, które w przyszłości otrzymamy w eksperymencie LISA” – powiedział Robin Stebbins, uczony z NASA pracujący przy tym eksperymencie. “Ponieważ efekty wywoływane przez fale grawitacyjne są bardzo słabe, nawet w przypadku użycia najlepszych dostępnych obecnie detektorów, każda informacja na temat tego skomplikowanego zjawiska będzie bardzo cenna. Zespół Bakera jest w stanie symulować oczekiwane sygnały i dzięki temu możemy zoptymalizować konstrukcję detektorów“.

Fale grawitacyjne mogą być wywoływane przez takie zjawiska, jak łączenie się czarnych dziur, galaktyk lub gwiazd neutronowych, a także przez wybuchy gwiazd. Zespół Bakera skupił się na końcowych etapach ewolucji układów podwójnych czarnych dziur znajdujących się tuż przed połączeniem. Model obejmuje też zlewanie się galaktyk połączone ze zlewaniem się czarnych dziur znajdujących się w ich centrach.

Wykonanie obliczeń i rozwiązanie nieliniowych równań Einsteina opisujących ten krytyczny moment wymagało zastosowania superkomputera mającego 100 gigabajtów pamięci RAM.

Otrzymane wyniki potwierdzają wcześniejsze przypuszczenia, że fale grawitacyjne od łączących się czarnych dziur będą stosunkowo słabe aż do momentu tuż przed ostatecznym połączeniem się. Wówczas gwałtownie nasilą się i będą mieć postać grzmotu odpowiadającego upadkowi czarnych dziur na siebie. Nowo powstała pojedyncza czarna dziura będzie rezonować niczym gong. Jeśli połączą się obiekty o rozmiarach gwiazd, częstotliwość gongu wynosić będzie około 10 herców i będzie znajdować się w zakresie pomiarowym naziemnego eksperymentu LIGO. Supermasywne czarne dziury wyprodukują drgania o częstotliwościach rzędu tysięcznych części herca i znajdą się w zakresie pracy satelitarnego eksperymentu LISA.

Autor

Michał Matraszek