PAN informacje

– Kosmos do nas mówi – ogłosił David Reitze z LIGO. – Można to wykorzystać m.in. do wyznaczenia stałej Hubble'a, określania pozostałości po zlaniu gwiazd neutronowych, badania pochodzenia układu podwójnego – wyjaśnił prof. Andrzej Królak, szef grupy Polgraw. O pierwszych zarejestrowanych w historii falach grawitacyjnych z układu podwójnego gwiazd neutronowych rozmawiali uczeni podczas konferencji w Polskiej Akademii Nauk.

Zanim zostało ogłoszone nowe odkrycie astronomiczne, wiceprezes PAN prof. dr hab. Paweł Rowiński przypomniał wkład, jaki w teorię fal grawitacyjnych wniósł polski fizyk prof. Andrzej Trautman swoimi pracami z lat 50. i początku 60. Urodzony w 1933 r. naukowiec jest członkiem PAN, emerytowanym profesorem Uniwersytetu Warszawskiego. W swojej pracy badawczej zajmował się m.in. ogólną teorią względności czy pracami z zakresu fizyki matematycznej. Podał argumenty przemawiające za istnieniem fal grawitacyjnych i możliwością ich detekcji. Zwrócił też uwagę na związki między własnościami fal grawitacyjnych i przenoszeniem przez nie informacji.

Istnienie fal przewidywał Albert Einstein w swojej ogólnej teorii względności, ale dopiero 14 września 2015 roku doszło do ich – pierwszej w historii – detekcji, dzięki pracy 1500 naukowców, w tym uczonych z Polski z zespołu Virgo-Polgraw. Wydarzenie to, ogłoszone 11 lutego 2016 roku, otworzyło nowy rozdział w badaniu Wszechświata. Właśnie został dopisany kolejny.

Organizatorzy transmitowanej na żywo konferencji w Waszyngtonie poinformowali, że 17 sierpnia b.r. doszło do kolejnej detekcji fal grawitacyjnych, czyli zmarszczek czasoprzestrzeni, odebranych przez detektory LIGO zlokalizowane w stanie Waszyngton i Luizjana oraz detektor VIRGO we Pizie we Włoszech. To zaalarmowało astronomów i sprawiło, że podjęli oni natychmiastowe wysiłki skierowane na odnalezienie tego zjawiska w Kosmosie za pomocą tradycyjnych teleskopów naziemnych i kosmicznych. Udało się – obserwatorium Fermiego, będące częścią NASA, zarejestrowało 17 sierpnia krótki rozbłysk promieni gamma.

Odkrycie – pierwsza w historii detekcja fal zarówno grawitacyjnych, jak i elektromagnetycznych z tego samego źródła zaanonsowała astrofizyczka France Córdova, dyrektorka National Science Foundation. Po niej zabrał głos David Reitze, Executive Director LIGO, mającego siedzibę w California Institute of Technology, opowiadając o detekcji sygnału różniącego się od poprzednich. Podkreślił, że źródłem rozbłysku była kolizja dwóch gwiazd neutronowych oddalonych 130 milionów lat świetlnych od Ziemi, położonych w galaktyce NGC 4993. Mamy dowód na to, iż rezultatem takich kosmicznych kataklizmów jest powstawanie metali cięższych od żelaza, w tym złota i uranu. – Kosmos do nas mówi – stwierdził Reitze. Sygnał pochodzi od tzw. ćwierku gwiazd, występującego tuż przed ich zderzeniem. Ćwierk we wcześniejszych detekcjach trwał ułamek sekundy, ponieważ zderzały się ze sobą dwie czarne dziury. Tym razem – aż dwie minuty.

Gwiazda neutronowa to obiekt o niezwykłej gęstości– wypalone jądro gwiazdy o niegdyś dużej masie, która eksplodowała dawno temu. Każda z dwóch gwiazd, których zderzenie „usłyszano” i zaobserwowano w rozbłysku gamma, miała nie więcej niż 25 kilometrów średnicy, ale za to masę około pół miliona razy większą od masy Ziemi. Gwiazdy neutronowe w chwili obserwacji dzieliła początkowo odległość ponad 300 kilometrów, ale pokonały ją w ciągu 100 sekund.

– Odkryto gwiazdy neutronowe w układzie podwójnym w momencie ich łączenia – powiedział prof. Andrzej Królak z Instytutu Matematycznego PAN i Narodowego Centrum Badań Jądrowych, członek grupy Virgo-Polgraw, jeden z jedenaściorga panelistów, którzy zabierali głos po zakończeniu transmisji z Waszyngtonu. – Takie gwiazdy przyciągają się i krążąc wokół siebie tracą energię przez emisję fal grawitacyjnych, aż dochodzi do zlania, czyli zderzenia, któremu towarzyszy rozbłysk gamma – objaśnił.

Efektem zderzenia jest także tzw. kilonowa spowodowana przez rozpad promieniotwórczy materii wyrzuconej podczas kolizji– zjawisko, które przewidział polski astronom i astrofizyk Bohdan Paczyński, zmarły w 2007 roku w Princeton w USA. Prof. Królak pokazał wykresy zarejestrowanych sygnałów fal grawitacyjnych, m.in. pochodzących z pierwszej detekcji z 14 września 2015 r. Za decydujący wkład w powstanie detektorów fal grawitacyjnych Ligo oraz badania nad falami grawitacyjnymi towarzyszące owej detekcji otrzymali w tym roku Nagrodę Nobla trzej Amerykanie – Kip Thorne, Rainer Weiss i Barry Barish. Pierwszy z nich był też głównym naukowym konsultantem przy wybitnym dziele SF Christophera Nolana, „Interstellar”.

– Obserwacje fal grawitacyjnych można wykorzystać do wyznaczenia stałej Hubble'a – stwierdził profesor Królak – czyli stałej określającej szybkość, z jaką rozszerza się Wszechświat, do określania pozostałości po zlaniu gwiazd neutronowych, do badania pochodzenia układu podwójnego i przewidywania wielkości tła sygnałów fal grawitacyjnych pochodzących ze zlewania się gwiazd neutronowych.

Uczony podkreślił udział Polaków z zespołu VIRGO-Polgraw w badaniach nad falami grawitacyjnymi. Międzynarodową grupę VIRGO tworzą Francja, Hiszpania, Holandia, Polska, Węgry oraz Włochy. Sponsorzy polskiej odnogi VIRGO, czyli właśnie Polgrawu, to m.in. Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego, Polska Akademia Nauk, Narodowe Centrum Nauki, Narodowe Centrum Badań i Rozwoju oraz Fundacja na Rzecz Nauki Polskiej. W panelu zespół Polgraw oprócz prof. Andrzeja Królaka reprezentowali prof. Piotr Jaranowski z Uniwersytetu w Białymstoku, dr hab. Dorota Rosińska z Uniwersytetu Zielonogórskiego, prof. Tomasz Bulik z Uniwersytetu Warszawskiego oraz dr hab. Michał Bejger z CAMK PAN.

Pozostali paneliści opowiedzieli, jak przebiegały obserwacje w promieniowaniu elektromagnetycznym wydarzenia GW170817. Dr hab. Łukasz Stawarz z Uniwersytetu Jagiellońskiego wyjaśnił czym jest Fermi GST – Gamma-ray Space Telescope – kosmiczne obserwatorium promieniowania gamma nazwane na cześć Enrica Fermiego. Jest on wyposażony w dwa instrumenty naukowe: LAT – Large Area Telescope oraz GBM – Gamma-ray Burst Monitor. LAT monitoruje niebo i przesyła dane na Ziemię, zaś GBM monitoruje źródła zmienne i przejściowe. To właśnie GBM zaobserwował 17 sierpnia krótki rozbłysk gamma, upubliczniony 16 sekund później, zaś 27 minut potem konsorcjum LIGO-VIRGO powiadomiło o zaobserwowaniu fal grawitacyjnych.

Prof. Rafał Moderski z Centrum Astronomicznego im. Mikołaja Kopernika PAN opowiedział o HESS – High Energy Stereoscopic System – pięciu teleskopach zlokalizowanych w Namibii. Ich nazwa honoruje również Victora Hessa, który w 1912 roku wysunął hipotezę na temat promieniowania kosmicznego. Jeden z teleskopów HESS był pierwszym naziemnym teleskopem, który podjął obserwację miejsca rozbłysków 17 sierpnia tego roku.

Dr hab. Jacek Niemiec z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN przedstawił HAWC – obserwatorium promieniowania cząstek najwyższych energii, czyli High Altitude Water Cherenkov Observatory, mieszczące się na zboczu Pico de Orizaba w Meksyku na wysokości 4100 m n.p.m. Źródło fal grawitacyjnych pojawiło się w polu widzenia HAWC dopiero po około 9 godzinach od momentu ich detekcji.

Prof. Henryk Wilczyński z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN poinformował, że założeniem Obserwatorium Pierre Auger w Argentynie jest badanie promieniowania kosmicznego. Obserwatorium to poszukiwało neutrin z błysku 17 sierpnia 2017.

Prof. Aleksander Żarnecki, reprezentujący naukowy projekt badawczy Pi of the Sky – wspólne dzieło Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, Narodowego Centrum Badań Jądrowych i Centrum Fizyki Teoretycznej PAN, wyjaśnił jego cel. To obserwacja błysków optycznych, towarzyszącym rozbłyskom gamma. Teleskop projektu znajdujący się w Hiszpanii był jednym z pierwszych, który poszukiwał emisji optycznej towarzyszącej zjawisku fal grawitacyjnych, ale nie udało się niczego zaobserwować.

Dr hab. Łukasz Wyrzykowski z Uniwersytetu Warszawskiego z kolei wspomniał o obserwatoriach ePESSTO w Chile oraz SALT w RPA.

Prof. Tomasz Bulik z Uniwersytetu Warszawskiego powiedział, że dzięki tym obserwacjom zmierzono, że prędkość grawitacji jest z dużą dokładnością równa prędkości światła. Wyjaśnił, że gdy gwiazdy neutronowe obiegają wspólny środek masy coraz szybciej i bliżej siebie, błysk elektromagnetyczny pojawia się dopiero po ich zderzeniu, zaś fale grawitacyjne powstają wcześniej w momencie zbliżania się i łączenia się gwiazd neutronowych.

Prof. Piotr Jaranowski dodał, że obserwacja dwóch gwiazd neutronowych tuż przed ich połączeniem pozwala wyznaczyć masy i spiny gwiazd neutronowych oraz odległość do nich i położenie na niebie.

Dr. hab. Dorota Rosińska wyjaśniła, że obserwacje sygnału fal grawitacyjnych z łączących się gwiazd neutronowych w układzie podwójnym pozwolą nam dać odpowiedź na pytanie jaki jest skład materii w ekstremalnych gęstościach. Im bliżej siebie znajdują się gwiazdy, tym bardziej pod wpływem grawitacji są zniekształcone. Wielkość tego odkształcenia niesie informację o budowie gwiazd neutronowych czyli najgęstszych stabilnych obiektów w przestrzeni kosmicznej. W wyniku zderzenia się dwóch gwiazd neutronowych, w zależności od ich masy może powstać masywniejsza i jeszcze bardziej gęsta gwiazda neutronowa albo czarna dziura.

Prof. Krzysztof Belczyński z Centrum Astronomicznego im. Mikołaja Kopernika PAN podkreślił na koniec, że równoczesna detekcja fal grawitacyjnych i rozbłysku gamma – pierwsza obserwacja koalescencji dwóch gwiazd neutronowych – jest drugim epokowym odkryciem astronomicznym w ciągu dwóch lat.

Już w latach dwudziestych XX wieku podejrzewano, że gwiazdy wytwarzają większość chemicznych pierwiastków, jakie znamy, ale brakowało wiedzy, jak potwierdzić te przypuszczenia. Od poniedziałku, 16 października już wiadomo na pewno, że wytwarzanie złota (i innych metali ciężkich) to nie alchemia. Powstaje ono w wyniku śmierci gwiazd, ich eksplozji lub, jak w zaobserwowanym kataklizmie – podczas zderzenia dwóch gwiazd neutronowych. Ilość złota wytworzonego w zaobserwowanym kataklizmie może wynieść nawet równowartość masy 30 takich planet, jak Ziemia.

Połączenie detekcji fal grawitacyjnych z tradycyjną obserwacją teleskopową będzie odtąd astronomiczną „normą”. To gwarancja wielu nowych odkryć.

 

 

Anna Kilian

 

Nagrania z konferencji i wywiady dzięki uprzejmości

Foto: Jakub Ostałowski