Kiedy we wrześniu 2015 r. Ligo Large Laser Interferometer w dwóch lokalizacjach w USA po raz pierwszy zarejestrował fale grawitacyjne z kosmosu, wieść o tym rozeszła się po całym świecie. Nowa metoda pomiaru otworzyła przed astronomami kolejne okno, przez które od tamtej pory intensywnie przeszukują wszechświat. Teraz po raz pierwszy międzynarodowy zespół zaobserwował fale grawitacyjne bez takich detektorów — za pomocą pulsarów, pozostałości po ciężkich gwiazdach.
Pomiary fal grawitacyjnych za pomocą konwencjonalnych detektorów są obecnie rutynowe, ale wykryte teraz fale nie byłyby za ich pomocą obserwowalne. Ponieważ zdarzenie przyczynowe jest inne: rzekomo powstały w zderzeniach galaktyk i pochodzą z orbitujących czarnych dziur, a nie z ich fuzji.
Galaktyki takie jak Droga Mleczna z miliardami gwiazd to największe obiekty we wszechświecie. Kiedy i jak powstały, wciąż pozostaje tajemnicą. Naukowcy są jednak zgodni co do tego, że każda galaktyka ma swoją własną historię ewolucyjną, w której ważną rolę odgrywają kosmiczne kolizje. Bo chociaż wszechświat składa się głównie z pustej przestrzeni, zderzenia między galaktykami musiały być częste, zwłaszcza w burzliwej młodości wszechświata. Ale wypadki nadal zdarzają się dzisiaj iw przyszłości pomiędzy nimi. Na przykład za kilka miliardów lat nasza galaktyka, Droga Mleczna, i jej sąsiadka, Mgławica Andromeda, połączą się w jedną gigantyczną galaktykę, którą astronomowie nazywają Melcomeda.
Wyspy świata tańczą wokół siebie – a wraz z nimi czarne dziury w ich centrach
Modele teoretyczne i praktyczne obserwacje pokazują, że takie załamanie nie następuje bezpośrednio. Zamiast tego wyspy świata tańczą wokół siebie przed jednością – a wraz z nimi czarne dziury tkwiące w ich centrach. Dziki taniec tych zbiorowych potworów nie tylko wstrzykuje ogromne ilości gazu do jądra nowo powstającej galaktyki, ale także powoduje drżenie czasoprzestrzeni. W rezultacie fale grawitacyjne przemierzają przestrzeń z prędkością światła.
„Ta ewolucja systemów Drogi Mlecznej, w której mniejsze systemy stają się większe, ma miejsce zawsze i wszędzie we wszechświecie” – mówi Michael Kramer, dyrektor Instytutu Radioastronomii im. Maxa Plancka w Bonn. „Więc stawiamy hipotezę, że fale grawitacyjne ze zderzeń galaktyk dodają jakiś rodzaj szumu tła”. I właśnie ten szum w czasoprzestrzeni Kramer i jego współpracownicy obserwują teraz w kilku krajach. Jednak grupy badawcze nie używały zwykłych interferometrów laserowych, ale naturalne detektory w kosmosie: pulsary, które są ciałami ciężkich gwiazd.
Kiedy masywne Słońce popada w kryzys energetyczny pod koniec swojego życia, w jego jądrze produkowane są w krótkich odstępach czasu coraz cięższe pierwiastki, w tym żelazo. Potem jest już po wszystkim, umierająca gwiazda traci równowagę i zapada się pod własnym ciężarem. Energia uwolniona w tym procesie eksploduje z zewnętrznych powłok i zapala się supernowa. Zaledwie 25-kilometrowa kula pozostaje pozostałością po szalonym finale. Zawarta w nim substancja jest tak gęsto upakowana, że naparstek ma masę miliarda ton.
Taka gwiazda neutronowa szybko obraca się wokół własnej osi. Silnie namagnesowana gwiazda emituje promieniowanie elektromagnetyczne w dwóch stożkach zebranych wzdłuż kierunku pola magnetycznego. Ponieważ jest to pod kątem do osi obrotu, stożki obracają się wraz z gwiazdą. Jeśli przelecą nad Ziemią, gwiazda neutronowa będzie migotać w rytmie swojego obrotu jak odległa latarnia morska i pojawi się jako pulsar na ziemskim niebie.
„Efekt ten stanowi podstawę naszych pomiarów, ponieważ pulsary należą do najdokładniejszych zegarów, jakie można sobie wyobrazić” – mówi Kramer. Jej sygnały radiowe pokonują kilka lat świetlnych w przestrzeni kosmicznej, zanim dotrą do naziemnych teleskopów i mogą być tam mierzone. „Właściwie pulsary powinny poruszać się bardzo regularnie. Ale tak nie jest” — mówi astronom Boone. A to właśnie dlatego, że przestrzeń nie jest pozbawiona nakładania się. Przez wszechświat przepływają fale grawitacyjne o długości wielu lat świetlnych, powstałe w wyniku łączenia się galaktyk. Kompresują i rozciągają strukturę czasoprzestrzeni, czyli zmieniają długość ścieżki i odpowiednio czas nadejścia impulsów. Te docierają na Ziemię albo za późno, albo za wcześnie.
Efekt jest niewielki, niedokładność zegarów pulsujących falą grawitacyjną wynosi około 30 miliardowych części sekundy. „Odpowiada to niewielkiej zmianie odległości przebytej przez sygnał” – mówi Kramer. Odległość do najbliższej gwiazdy stałej, oddalonej o około 40 bilionów km, zmieni się o około 120 metrów.
Kramer uczestniczy w pomiarach EC. Ta europejska tablica synchronizacji pulsarów współpracuje z 25 pulsarami rozsianymi po Drodze Mlecznej, które były mierzone przez dziesięciolecia za pomocą pięciu radioteleskopów – w tym 100-metrowej anteny w Eifelsberg niedaleko Bonn – i obejmując detektor wielkości galaktyki. Kierując się tą samą zasadą, zespoły z Ameryki Północnej, Australii i Chin zauważyły pulsary i teraz również publikują swoje prace. Wszyscy dochodzą do tego samego wniosku: najbardziej prawdopodobnym źródłem obserwowanego szumu tła z fal grawitacyjnych są układy podwójne czarnych dziur o masach od milionów do miliardów mas Słońca, powstałych podczas łączenia się galaktyk. Konwencjonalne interferometry laserowe, takie jak Ligo, nie widzą emitowanych fal grawitacyjnych, ponieważ ich częstotliwości są zbyt niskie.
Wręcz przeciwnie, czułość układu pulsarów taktujących nie jest obecnie wystarczająca do rozróżnienia szumu tła w poszczególnych źródłach, jak jest to możliwe w przypadku konwencjonalnych detektorów. „To jak słuchanie rozmowy na koktajlu przez zamknięte drzwi” — mówi Michael Kramer. „Naszym celem jest, aby pewnego dnia móc zrozumieć poszczególne fragmenty rozmowy”. Wtedy z bliska można usłyszeć przesłanie fal grawitacyjnych z ewolucji galaktyki.