Zaledwie 3 dni po detekcji zdarzenia GW170814 naukowcy zarejestrowali kolejne – tym razem pochodzące z innego źródła oraz odmienne od wszystkich zaobserwowanych wcześniej. To pierwsza tego typu detekcja, którą zaobserwowaliśmy nie tylko dzięki czułym, olbrzymim detektorom wyczuwającym niewidzialne zmarszczki czasoprzestrzeni. Tym razem mogliśmy to również zobaczyć na własne oczy a nawet więcej: od promieni gamma po fale radiowe. Jak przewidywali fizycy, dzięki kosmicznej eksplozji – w której 2 masywne gwiazdy neutronowe się złączyły – otrzymaliśmy obfitą ilość informacji, spośród których każda jedna jest niezwykle cenna.

Pierwszą znacząca informację otrzymaliśmy już w momencie detekcji, która nastąpiła 17 sierpnia tego roku o godz. 12:41 czasu uniwersalnego (UT). Cztery poprzednie zdarzenia trwały co najwyżej kilka sekund i miały częstotliwości około kilkudziesięciu cykli na sekundę, podczas gdy najnowsze odkrycie było obserwowalne przez 100 sekund i posiadało częstotliwość dochodzącą do tysięcy cykli na sekundę. Ich źródłem był układ dwóch wirujących wokół siebie gwiazd neutronowych o masach około 1,1 oraz 1,6 razy większych od Słońca.

Zaobserwowane zjawisko było zapowiedzią spektakularnego widowiska świetlnego. Ponieważ czarne dziury są niczym innym jak polem grawitacyjnym pozostałym po masywnej gwieździe, która zapadła się do infinitezymalnie małych rozmiarów – nie posiadają żadnej masy, która mogłaby wypromieniować światło w momencie ich zlewania się. W przeciwieństwie do nich, gwiazdy neutronowe, jako pozostałe po eksplozji supernowych jądra nieco mniejszych gwiazd, składają się z neutronów – i to niemal tylko i wyłącznie. Kiedy kule tak gęstej materii się zderzą, powinny wyemitować promieniowanie w całym spektrum długości fal.

Tajemnica błysków gamma

Tak właśnie się stało. Zaledwie 2 sekundy po grawitacyjnym sygnale Kosmiczny Teleskop Fermiego zarejestrował wybuch wysokoenergetycznych fotonów zwany rozbłyskiem gamma. W ciągu kolejnych kilku minut LIGO i Virgo potwierdziły obecność sygnału grawitacyjnego, a kilka godzin później zidentyfikowano nowe źródło światła na peryferiach galaktyki NGC 4993, które w ciągu dwóch tygodni zblakło do fal radiowych.

Takie odkrycie przywodzi na myśl niesamowity wniosek: rozstrzyga bowiem tajemnicę pochodzenia niektórych błysków gamma – drugich najbardziej spektakularnych i potężnych kosmicznych wydarzeń zaraz po kolizji czarnych dziur. „Jeśli mamy do czynienia jednocześnie z falami grawitacyjnymi oraz rozbłyskami, mamy pewność, że źródłem jest układ podwójny gwiazd neutronowych” – twierdzi Peter Mészáros, teoretyk z Uniwersytetu Pensylwanii.

Zdjęcie NGC 4993 wykonane przez teleskop Hubble’a wraz z rozbłyskiem GRB170817A.

Skąd to srebro, złoto i platyna?

W galaktyce NGC 4993 dwie gwiazdy neutronowe wirowały wokół siebie z olbrzymimi prędkościami. Obiekty przyciągały się do siebie coraz bardziej, na skutek czego kręciły się coraz szybciej, aż w końcu olbrzymie siły pływowe rozdarły połacie materii, podczas gdy ich pozostałości się ze sobą zlały. Materia została wyrzucona w przestrzeń międzygwiezdną, a oswobodzone neutrony powróciły do swojej pierwotnej formy protonów i elektronów, z czego uformowały się jądra ciężkich pierwiastków chemicznych cięższych od żelaza. Dodatkowo wzmacniane przez wychwyty kolejnych neutronów atomy rozpadały się w procesach promieniotwórczych, co wywoływało świecenie materii przez kolejne kilka dni nawet tysiąc razy silniejsze niż zwykłej nowej (stąd nazwa – kilonowa). Nie jest to jednak pierwsza zaobserwowana kilonowa w historii – taka została wykryta w 2013r., kiedy Teleskop Kosmiczny Hubble’a zarejestrował GRB 130603B. Nowo odkryte zdarzenie jest jednak jak dotychczas najlepszą obserwacją tego typu.

Brian Metzger, teoretyk z Uniwersytetu w Kolumbii: „To oszałamiające. Nagle kurtyna się podniosła i to, co zobaczyliśmy okazało się być niezwykle bliskim tego, co przewidywaliśmy”.

Obserwacja kilonowej rozwiązała kolejny zadawniony problem fizyki jądrowej, jakim był mechanizm powstania połowy pierwiastków cięższych niż żelazo, włączając w to srebro, złoto i platynę. Fizycy jądrowi długo podejrzewali, że są one tworzone w wyżej opisanym procesie wychwytu neutronów – tak zwanym procesie r, ale nie mieli pojęcia, przy okazji jakich zderzeń się one uwalniają – podczas zapadnięcia się pojedynczych gwiazd czy podczas zlewania się gwiazd neutronowych. Nowe odkrycie daje silny dowód na to, że przynajmniej część, a – co całkiem prawdopodobne – nawet wszystkie owiane wcześniej tajemnicą pierwiastki pochodzą ze zderzeń gwiazd neutronowych. „Dla mnie, jako fizyka jądrowego, to niezwykle ważne osiągnięcie” – komentuje Witold Nazarewicz, polski teoretyk z Uniwersytetu Michigan, w którym fizycy eksperymentalni budują akcelerator wart 730 milionów dolarów m.in. właśnie dla lepszego zrozumienia procesu r.

Co to tam tak błyska?

Połączenie się dwóch gwiazd neutronowych samo w sobie odsłania też kilka własnych zagadek. Na przykład, zaobserwowane promienie gamma były dosyć słabe nawet pomimo tego, że wybuch znajdował się 10-krotnie bliżej, niż jakikolwiek wcześniej zaobserwowany krótki błysk gamma. Można to wytłumaczyć w taki sposób, że naukowcy patrzyli na to zderzenie – można powiedzieć – niezwyczajnego kąta. Rozbłyski gamma powstają, kiedy dżety (strugi) gorącej materii wystrzeliwują się wzdłuż osi obrotu nowo narodzonej czarnej dziury z prędkościami bliskimi prędkości światła, wysyłając tym samym w przestrzeń kosmiczną sygnał niczym latarnia morska. W takim przypadku możliwe jest, że obserwatorzy na Ziemi spoglądali na dżet nie wprost, ale pod nieznacznym kątem.

Taki obraz zdaje się być zgodny z faktem, że minął długi odstęp czasu zanim astronomowie mogli dostrzec promienie X i fale radiowe. Sygnały o długościach fal X i radiowych pochodzące z dżetu były na początku emitowane zbyt wąsko wzdłuż swojej osi obrotu, aby mogły być widoczne z Ziemi. Jednak w trakcie kiedy dżet zwalniał, promieniowanie mogło wydostawać się pod większymi kątami sprawiając, że sygnał stał się dla nas wykrywalny.

Prędkość grawitacji

Rozchodzenie się oddziaływań grawitacyjnych z prędkością równą prędkości światła c jest jednym z podstawowych wniosków Ogólnej Teorii Względności. Po odkryciu fal grawitacyjnych pojawiły się jednak pewne wątpliwości tego dotyczące. Dzięki dokładnemu wyznaczeniu położenia źródła fal grawitacyjnych na niebie oraz detekcji skorelowanych z nimi fal elektromagnetycznych możemy dokładniej zmierzyć ewentualną różnicę występującą między tymi prędkościami. Zakładając, że pierwsze fotony zostały wyemitowane maksymalnie 10 sekund po grawitacyjnej fali uderzeniowej, obliczona względna różnica między prędkością grawitacji a prędkością światła w stosunku do c waha się pomiędzy −3×10−15 a +7×10−16. Jest to jednak zdecydowanie zbyt mała ilość danych żeby móc jednoznacznie stwierdzić istnienie takiej różnicy. Oczekujemy kolejnych odkryć takich jak to z 17 sierpnia.

Za sprawą jednego spektakularnego odkrycia era astronomii fal grawitacyjnych właśnie się rozpoczęła. To co możemy robić dalej, to po prostu czekać na więcej tego typu wydarzeń i w oparciu o nie tworzyć analizy statystyczne. Jak na razie jednak cała astronomiczna społeczność pławi się w świetle odkrycia i zachwycających sukcesach tego modelu. „Czasami zastanawiam się, czy my wszyscy czasem nie błądzimy bez celu” – stwierdza astronom Andrew Howell. „To momenty takie jak ten uspokajają mnie, że nauka działa”.

Autor

Dawid Maksymowski