Znajdź zawartość

Przed 10 laty 14 września 2015 roku interferometr LIGO zarejestrował pierwsze fale grawitacyjne wykryte przez człowieka (o ich odkryciu poinformowano 11 lutego 2016 roku). Ludzkość zyskała 3. sposób badania kosmosu, po falach elektromagnetycznych i promieniowaniu kosmicznym. Tym razem zaobserwowaliśmy zaginanie czasoprzestrzeni. Obecnie LIGO rutynowo wykrywa fale grawitacyjne. We współpracy z Virgo (Włochy) i KAGRA (Japonia) tworzy sieć LVK, która średnio co trzy dni rejestruje fale pochodzące z połączenia czarnych dziur. Teraz naukowcy z LVK zdobyli drugi w historii, i jednocześnie najdokładniejszy, dowód obserwacyjny, na prawdziwość teorii o powierzchni czarnych dziur Stephena Hawkinga. W przełomowych badaniach brała udział duża grupa polskich uczonych z Centrum Astronomicznego im. Mikołaja Kopernika, Uniwersytetu Warszawskiego, Uniwersytetu Jagiellońskiego, Polskiej Akademii Nauk, Uniwersytetu w Białymstoku i Narodowego Centrum Badań Jądrowych. W 1971 roku Stephen Hawking zaprezentował teorię, zgodnie z którą całkowita powierzchnia horyzontu zdarzeń czarnej dziury nigdy się nie zmniejsza. Pierwsze zarejestrowane przez człowieka fale grawitacyjne pochodziły z wydarzenia GW150914, które po analizie okazało się połączeniem czarnych dziur o masach 29 i 36 mas Słońca. W ich wyniku powstała nowa czarna dziura o masie 62 mas Słońca, a brakujące masa 3 Słońc została wyemitowana w postaci promieniowania grawitacyjnego. Gdy Stephen Hawking się o tym dowiedział, skontaktował się z naukowcami z LIGO i zapytał, czy wykryte zjawisko potwierdza jego teorię o powierzchni. Wówczas jednak naukowcy nie byli w stanie odpowiedzieć na to pytanie. Dopiero w 2019 roku, już po śmierci Hawkinga, stworzono odpowiednie techniki analizy danych. Dwa lata później, w 2021 roku ostatecznie stwierdzono, że obserwacje wykazały, iż powierzchnia wynikowej czarnej dziury się nie zmniejszyła. Dokładność obserwacji wynosiła 95%, czyli około 2 sigma. To zbyt mało, by mówić o odkryciu. Obecnie nadeszło silniejsze potwierdzenie prawdziwości teorii Hawkinga. Znaleziono je w danych z interferometru LIGO – Virgo i KAGRA były akurat wyłączone – który 14 stycznia bieżącego roku zaobserwował sygnał GW250114. Dostarczył on najsilniejszych dowodów na prawdziwość twierdzenia Hawkinga. ANaliza wykazała, że całkowita powierzchnia obu czarnych dziur, które się połączyły, wynosiła 240 000 km2, a powierzchnia nowo powstałej czarnej dziury to około 400 000 km2. Tym razem dokładność obserwacji wynosi 99,999%. Szczegóły badań opublikowano na łamach Physical Review Letters. Ten wyjątkowy pomiar był możliwy dzięki 10 latom udoskonaleń interferometru. Prace były prowadzone w obu wykrywaczach, w stanach Waszyngton i Louisiana. Nie wiem, co będzie za 10 lat, ale poprzednie 10 lat to czas olbrzymiego wzrostu czułości LIGO. Dzięki temu nie tylko wykrywamy coraz więcej nowych czarnych dziur, ale zdobywamy coraz bardziej szczegółowe dane na ich temat, mówi profesor Katerina Chatziioannou. Fale grawitacyjne ściskają i rozciągają przestrzeń o 1 część na 1021, zatem cała ziemia jest ściskana lub rozciągana o około szerokość atomu. LIGO składa się z dwóch bliźniaczych urządzeń umieszczonych w odległości około 3000 kilometrów od siebie. Każde z urządzeń ma kształt litery L o ramionach długości 4 kilometrów. Na końcach ramion znajdują się 40-kilogramowe lustra umieszczone dokładnie w tej samej odległości od lasera. W ich stronę wystrzeliwana jest wiązka lasera, która odbija się od luster i wraca do detektorów. Jeśli w trakcie ostrzeliwania luster laserem przez Ziemię przejdzie fala grawitacyjna, zmieni się odległość pomiędzy jednym z luster a laserem. Zatem światło w obu ramionach przebędzie różną drogę. Między promieniami światła dojdzie do interferencji, a badając ją naukowcy mogą mierzyć relatywną długość obu ramion z dokładnością do 1/10 000 szerokości protonu. To wystarczy, by wykryć zmiany długości ramion interferometru spowodowane przejściem fali grawitacyjnej. Wykorzystanie dwóch identycznych urządzeń położonych w dużej odległości od siebie ma na celu eliminację części zakłóceń powodowanych źródłami na Ziemi (może zostać zakłócone jedno urządzenie, ale drugie położone tak daleko nie odczuje zakłócenia lub będzie to odczuwalne w inny sposób). Duża odległość pozwala też na dodatkowe upewnienie się, że przeszła fala grawitacyjna. Fale te rozchodzą się bowiem z prędkością światła, dokładnie więc wiemy, jakie może być opóźnienie zarejestrowanego sygnału pomiędzy jednym a drugim urządzeniem. Dzięki odległości dzielącej urządzenia możemy też dokonywać lepszej triangulacji, czyli lepiej określać źródło sygnału, a włączenie do tej sieci Virgo i KAGRA dodatkowo zwiększa precyzję pomiarów. « powrót do artykułu

Naukowcy z Polski, USA i Niemiec uważają, że można wykorzystać globalną sieć czujników kwantowych oraz zegary atomowe systemu GPS do rejestrowania hipotetycznych egzotycznych pól o niskiej masie (ELF), sygnałów pochodzących z łączenia się czarnych dziur i innych gwałtownych wydarzeń astronomicznych. Wykrycie takich sygnałów dawałoby istotny wgląd w fizykę wykraczającą poza Model Standardowy. Andrei Derevianko z University of Nevada i jego zespół, w pracach którego udział bierze Szymon Pustelny z Uniwersytet Jagiellońskiego, opublikowali pracę, w której wyliczają właściwości ELF i mówią gdzie oraz jak ich szukać. Astronomia wielokanałowa (multimessenger astronomy), to skoordynowane obserwacje różnych sygnałów pochodzących z tego samego źródła. Obserwacje takie zapewniają duże bogactwo danych na temat procesów astrofizycznych. Dotychczas astronomia wielokanałowa odbierała skorelowane sygnały ze znanych oddziaływań podstawowych i standardowych cząstek, jak promieniowanie elektromagnetyczne, neutrina czy fale grawitacyjne. Jednak wielu autorów sugeruje, że istnieją egzotyczne pola o niskiej masie ( <-2), czytamy w pracy opublikowanej na łamach Nature. W naszej pracy wykażemy, że sieć precyzyjnych czujników kwantowych, które są izolowane od wpływu konwencjonalnych sygnałów fizycznych, może być potężnym narzędziem astronomii wielokanałowej. Rozważamy tutaj sytuację, w której wysokoenergetyczne wydarzenia astrofizyczne wywołują intensywne rozbłyski egzotycznych pól o niskiej masie (ELF) i proponujemy nowy model wykrywania ELF bazujący na generalnych założeniach. Wyliczamy tutaj amplitudy sygnałów EFL, opóźnienia, częstotliwości i odległości od źródeł fal grawitacyjnych, które to sygnały mogą zostać zarejestrowane przez globalną sieć magnetometrów i zegarów atomowych. Stwierdziliśmy, że sieci takich urządzeń mogą działać jak teleskopy ELF, wykrywając sygnały ze źródeł, które generują ELF. Czarne dziury i gwiazdy neutronowe mają silne pola grawitacyjne, zatem można przypuszczać, że przyciągają ciemną materię. Wiele rozszerzeń Modelu Standardowego sugeruje, że wokół wielkich masywnych obiektów astrofizycznych, jak czarne dziury, mogą gromadzić się ELF. Gdy czarne dziury się łączą i dochodzi do uwolnienia olbrzymich ilości energii, część z tych ELF może zostać rozerwana i wyrzucona w kierunku Ziemi. Możemy więc spróbować je wykryć i badać. Jednak sposób badania ELF będzie zależał od ich natury. Derevianko uważa, że jedną z metod może być wykorzystanie zegarów atomowych. ELF mogą wpłynąć na odległości pomiędzy powłokami elektronowymi, co wpłynie na częstotliwość pracy zegara atomowego. Globalna sieć zegarów atomowych już istnieje. Urządzenia takie mają na pokładzie satelity systemu GPS. Można by ją więc wykorzystać do wykrywania ELF, których źródło znajduje się w dowolnym miejscu obserwowalnego wszechświata. Jest jeszcze inna możliwość obserwacji ELF. Naukowcy przypuszczają, że pola te mogą wchodzić w interakcje ze spinami atomów, zatem mogą być wykrywane przez magnetometry. Global Network of Optical Magnetometers for Exotic physics (GNOME) to sieć 13 stacji rozsianych na 4 kontynentach. Co prawda, jak zauważa Derevianko, obecnie magnetometry te nie są wystarczająco czułe, by wykryć ELF, ale w przyszłości mogą osiągnąć wymaganą czułość, gdyż są ciągle udoskonalane. Uczeni nie znają dokładnej natury sygnałów pochodzących z ELF, w końcu samo istnienie pól jest jedynie hipotezą, jednak przewidują niektóre z ich właściwości. Ich zdaniem cząstki będące nośnikami sygnału mają dużą energię i bardzo niską masę. W związku z tym przemieszczają się niemal z prędkością światła. Co więcej, uważają, że jako pierwsze dotrą do nas elementy o wysokiej częstotliwości. To zaś będzie zapowiedzią impulsu, który trafi na Ziemię wkrótce po dotarciu fal grawitacyjnych. Zdaniem zespołu Derevianko, naukowcy mogą szukać ELF w wydarzeniach, którym nie towarzyszy fala grawitacyjna, np. w wybuchach supernowych. A jeśli np. uda się znaleźć w zegarach atomowych systemu GPS ślady ELF pochodzących z połączenia czarnych dziur, to można przeanalizować dane historyczne, sprzed okresu, gdy byliśmy w stanie wykrywać fale grawitacyjne. « powrót do artykułu