Czy fale grawitacyjne pomogą wykryć gwiazdy z ciemnej materii?

Zmarszczki w strukturze czasoprzestrzeni, zwane jako fale grawitacyjne, przemieszczają się z prędkością światła po całym Wszechświecie. Powstają one podczas najbardziej gwałtownych kosmicznych zdarzeń, takich jak łączenie się czarnych dziur, supernowe lub sam Wielki Wybuch. Od czasu ich pierwszego wykrycia w 2015 roku, detektory LIGO i Virgo wykryły około 100 takich fal. Mogą one pomóc w odnalezieniu tak niezwykłych obiektów kosmicznych jak gwiazdy z ciemnej materii.

Fale grawitacyjne pozwoliły astronomom odkrywać populację czarnych dziur we Wszechświecie, badać grawitację w najbardziej ekstremalnych regionach kosmosu, a nawet powstawanie pierwiastków takich jak złoto czy platyna, podczas łączenia się gwiazd neutronowych.

Detektory LIGO i Virgo to najbardziej precyzyjne urządzenia pomiarowe, jakie kiedykolwiek zbudowała ludzkość, zdolne do pomiaru subtelnego ściskania i rozciągania czasoprzestrzeni wytwarzanego przez fale grawitacyjne. Wykrywanie fal i określanie ich źródeł opiera się na porównaniu danych z detektorów z teoretycznymi modelami lub „szablonami” dla tych emitowanych przez każdy rodzaj źródła.

Chociaż istnieje kilka sposobów obliczania szablonów fal grawitacyjnych, najdokładniejszym z nich są niezwykle dokładne symulacje numeryczne przeprowadzane na jednych z najpotężniejszych superkomputerów na świecie. Większość symulacji numerycznych jednak nie wyprowadza wielkości odczytywanej przez detektory, znanej jako odkształcenie, ale jej pochodną, znaną jako skalar Newmana-Penrose’a.

To sprawia, że naukowcy muszą wykonywać całki dwukrotne na wynikach swoich symulacji. Dr Isaac Wong z Chińskiego Uniwersytetu w Hongkongu i współautor badania wyjaśnia: „Chociaż wykonywanie całek może wydawać się proste, operacja ta podlega dobrze znanym błędom, z którymi możemy sobie poradzić tylko w przypadku raczej prostych źródeł, takich jak łączenie się czarnych dziur na orbitach kołowych, które LIGO i Virgo wykryły do tej pory. Co więcej, nie jest to proste i wymaga ręcznego dostrajania, które wymaga ludzkich decyzji”.

W najnowszym badaniu opublikowanym w czasopiśmie Physical Review X, zespół kierowany przez dr Juana Calderóna Bustillo z Galicyjskiego Instytutu Fizyki Wysokich Energii w Hiszpanii oraz dr Isaaca Wonga z Chińskiego Uniwersytetu w Hongkongu, zaproponował odwrócenie sposobu, w jaki analiza fal grawitacyjnych była przeprowadzana do tej pory. Zamiast wykonywać całki na symulacjach, autorzy proponują pochodne na danych z detektora, pozostawiając symulacje nietknięte.

„Chociaż może się to wydawać dość trywialną poprawką, ma ona ogromne zalety. Po pierwsze, znacznie upraszcza to proces uzyskiwania szablonów, które można porównać z danymi LIGO-Virgo. Co najważniejsze, możemy to teraz zrobić bezpiecznie dla każdego źródła, które superkomputery mogą symulować” – wyjaśnia dr Calderón-Bustillo.

Naukowcy od dawna podejrzewali, że niektóre z odebranych sygnałów mogą być spowodowane czymś znacznie bardziej egzotycznym i tajemniczym, znanym jako gwiazdy bozonowe.

„Gwiazdy bozonowe zachowują się bardzo podobnie do czarnych dziur, ale różnią się zasadniczo, ponieważ brakuje im dwóch najbardziej charakterystycznych (i nieco problematycznych) aspektów czarnych dziur: ich powierzchni bez powrotu znanej jako horyzont zdarzeń oraz osobliwości we wnętrzu, gdzie załamują się prawa fizyki” – mówi dr Sanchis-Gual z Uniwersytetu w Walencji, współautor badania.

Chociaż zespół wiedział, jak przeprowadzić symulację tych źródeł przy pomocy superkomputerów, „mieliśmy prawdziwy problem ze zrozumieniem, jak przekształcić wyniki naszych symulacji w coś, co moglibyśmy porównać z danymi z detektora, ze względu na dobrze znane problemy. Pomysł, aby wziąć pochodne z danych, sprawił, że wszystko stało się niezwykle proste” – mówi prof. Alejandro Torres z Uniwersytetu w Walencji.

W pierwszym zastosowaniu swojej nowej techniki, zespół porównał niektóre zaobserwowane przez LIGO i Virgo fale grawitacyjne, z dużym katalogiem symulacji fuzji gwiazd bozonowych.

„Jeśli istnieją fuzje gwiazd bozonowych, mogą one stanowić przynajmniej część tego, co znamy jako ciemną materię” – tłumaczy prof. Carlos Herdeiro z Uniwersytetu w Aveiro.

Naukowcy odkryli, że jedno z najbardziej tajemniczych zdarzeń zaobserwowanych do tej pory, znane jako GW190521, jest rzeczywiście zgodne z takimi symulacjami.

„To bardzo ekscytujące, że GW190521 jest zgodny z fuzją gwiazd bozonowych. Podkreśla to potencjalną rolę tych egzotycznych obiektów w przyszłości astronomii fal grawitacyjnych” – mówi Samson Leong, doktorant z Chińskiego Uniwersytetu w Hongkongu.

„Wynik ten pokazuje również siłę naszego nowego podejścia. Po prostu biorąc pochodne, otworzyliśmy szersze okno na badanie i zrozumienie kosmosu za pomocą fal grawitacyjnych” – dodaje prof. Tjonnie Li z K.U. Leuven.

Emil Gołoś