Rozszyfrowywanie fal grawitacyjnych generowanych przez podwójne czarne dziury To nie przypadek, że tegoroczna Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki została przyznana naukowcom prowadzącym pionierskie badania w zakresie fal grawitacyjnych. Ten nowy kierunek obserwacji może pomóc poznać obiekty niewidzialne dotąd dla tradycyjnych przyrządów astronomicznych z powodu braku promieniowania elektromagnetycznego. Do obiektów takich należą między innymi kompaktowe podwójne czarne dziury, które dzięki uczestnikom projektu AWE zostały o wiele lepiej poznane. Przemysł kosmiczny © NASA Albert Einstein już dawno uświadomił nam, że fale grawitacyjne – zmarszczki czasoprzestrzeni wywoływane ruchem materii – regularnie przepływają przez Ziemię i rozciągają oraz ściskają otaczającą nas przestrzeń, jednak dopiero ostatnio naukowcom udało się je zarejestrować. Ostatnio miało to miejsce 28 września 2017 roku, kiedy to po raz czwarty w historii zarejestrowano fale grawitacyjne powstałe po zderzeniu dwóch czarnych dziur. „Każde takie odkrycie dostarcza nam nowych, czasem bardzo zaskakujących faktów o wszechświecie” – mówi Niels Warburton, pracownik naukowy University College Dublin (UCD), który spędził minione dwa lata na politechnice MIT (Massachusetts Institute of Technology), wnosząc swój wkład w rozwój tej nowej dziedziny badań. Udział w inicjatywie AWE (Accurate Waveforms for Extreme/Intermediate-mass-ratio-inspirals) pozwolił Warburtonowi opracować podstawy dla realizowanego przez Europejską Agencję Kosmiczną projektu budowy interferometru laserowego (LISA) – przyszłego detektora fal grawitacyjnych ulokowanego w kosmosie. W przeciwieństwie do naziemnych detektorów fal grawitacyjnych, w których przy niskich częstotliwościach sygnał jest zakłócany przez szumy sejsmiczne, ten detektor będzie mierzyć fale emitowane przez układy o małym stosunku mas. „Jednym ze źródeł tych fal są tzw. układy EMRI (Extreme-Mass-Ratio-Inspirals), w których kompaktowe obiekty gwiazdowe (takie jak bardzo gęste gwiazdy czy czarne dziury) orbitują wokół czarnej dziury o masie miliony razy większej od masy Słońca. Układy te emitują fale grawitacyjne przez miesiące, a nawet lata, jednak wyodrębnienie sygnału z pełnego szumów strumienia danych wymaga niezwykle dokładnych modeli fal nadchodzących. W ramach projektu AWE i przygotowań do misji LISA rozwinęliśmy najważniejsze z tych modeli” – wyjaśnia Adrian Ottewill, główny badacz projektu i profesor fizyki matematycznej na UCD. W tym celu Warburton wykorzystał teorię perturbacji czarnych dziur, którą następnie rozwinął. „Dzięki połączeniu mojej wiedzy z wiedzą dwóch goszczących mnie grup badawczych oraz wielu współpracowników, podczas trwania stypendium udało się opublikować siedem artykułów, a kilka kolejnych przygotować do publikacji” – twierdzi. Z tych siedmiu artykułów pięć dotyczyło postępów w zakresie modelowania fal grawitacyjnych emitowanych przez supermasywne układy podwójne, zgodnie z opisem we wniosku projektowym. Pozostałe dwa artykuły nie były początkowo zaplanowane, jednak w toku prac wynikły bardzo ważne kwestie wymagające opisania. „Krótko po rozpoczęciu pracy na MIT w moim biurze pojawił się znajomy badacz, z którym podczas studiów doktoranckich kilkakrotnie spotykałem się na różnych konferencjach. Szybko zdaliśmy sobie sprawę, że nasze umiejętności doskonale się uzupełniają, co pozwoliło nam dokonać znaczących postępów w badaniach nad emisją fal grawitacyjnych przez kompaktowe obiekty orbitujące spiralnie wokół szybko wirujących masywnych czarnych dziur” – wspomina Warburton. Okazało się, że istnieje górna granica prędkości, z jaką wiruje dana czarna dziura, oraz że czarne dziury wirujące z prędkością zbliżoną do granicznej wykazują dziwne, nieznane fizyce zachowania. W trakcie swojej pracy Warburton i jego współpracownicy dowiedli, że fale grawitacyjne generowane przez te czarne dziury posiadają wyróżniającą je cechę – tzw. „pieśń”, która, jeśli zostanie wykryta, natychmiast zasygnalizuje obecność jednej z niezwykle szybko wirujących czarnych dziur. Drugi artykuł na ten temat – „Inspiral into Gargantua” – odwołujący się do filmu „Interstellar” Christophera Nolana, przyciągnął uwagę masmediów, w tym portali Space.com i Science News. Warburton jest przekonany, że zasady fizyczne niezbędne do modelowania układów EMRI zostały już dobrze poznane i ma nadzieję, że jego praca pozwoli w przyszłości wykrywać i dokonywać pomiarów związanych z tymi układami. W międzyczasie planuje kontynuować, w ramach programu stypendialnego University Research Fellowship realizowanego przez Royal Society – Science Foundation Ireland, modelowanie fal grawitacyjnych generowanych przez EMRI. Ma zamiar także stworzyć nowy zestaw narzędzi programowych open-source, które umożliwią dzielenie się wiedzą z badaczami ze społeczności naukowej i spoza niej. „Dzięki temu badacze nie będą musieli tracić czasu na kodowanie i zajmą się tym, co robią najlepiej – fizyką” – podsumowuje. Słowa kluczowe AWE, fala grawitacyjna, promieniowanie, czarna dziura, LISA, MIT, detektor, EMRI, Interstellar
