Polacy mieli niemały udział w wykryciu fal grawitacyjnych. Ich teoretyczny udział też jest znaczący. Czyżby ich wysiłki też mogłyby być Noblem uhonorowane?
Polacy już w 2010 r. wyliczyli, że źródłem fal grawitacyjnych będą czarne dziury
16.02.2016
Naukowy świat wciąż świętuje wykrycie fal grawitacyjnych. Tymczasem polsko-amerykański zespół, kierowany przez prof. Krzysztofa Belczyńskiego, już sześć lat temu przewidział, że pierwszym źródłem fal będzie kolizja czarnych dziur, a nie gwiazd neutronowych.
O zaobserwowaniu fal grawitacyjnych naukowcy poinformowali 11 lutego br. Historycznej obserwacji dokonano 14 września 2015 roku, kiedy dwa detektory amerykańskiego obserwatorium LIGO oddalone od siebie o 3 tys. km zarejestrowały niemal jednocześnie sygnał fal grawitacyjnych. Pochodził on ze zderzenia się dwóch masywnych czarnych dziur o wadze 36 i 29 mas Słońca, czyli całkowitej masie równej 65 mas Słońca.
Choć naukowy świat wykrycie fal grawitacyjnych świętuje od kilku dni, to polsko-amerykański zespół kierowany przez prof. Krzysztofa Belczyńskiego już w 2010 roku wykazał, że pierwszą detekcję fal grawitacyjnych umożliwi zderzenie dwóch czarnych dziur, a nie - jak przewidywano - dwóch gwiazd neutronowych. Naukowcy wyliczyli też, że suma mas obu czarnych dziur tej detekcji wyniesie od 20 do 80 mas Słońca. Wyniki były rezultatem obliczeń dr. Michała Dominika, który obronił swoją pracę doktorską w 2014 roku w Obserwatorium Astronomicznym Uniwersytetu Warszawskiego właśnie pod kierunkiem prof. Belczyńskiego.
"Fale grawitacyjne są konsekwencją równań ogólnej teorii względności podanej przez Alberta Einsteina w 1916 roku. Od lat 60. ubiegłego wieku naukowcy próbowali +zobaczyć+ fale grawitacyjne i potwierdzić teorię Einsteina" - wyjaśnia prof. Krzysztof Belczyński z Uniwersytetu Warszawskiego.
Pierwszy znaczący krok wykonali w latach 70. ubiegłego wieku amerykańscy fizycy Russell A. Hulse i Joseph H. Taylor. Odkryli wówczas istnienie pierwszego układu dwóch gwiazd neutronowych, które powoli zbliżają się do siebie. To w wyniku ich zderzenia - za około 300 milionów lat - ma nastąpić silna emisja fal grawitacyjnych. Za odkrycie to otrzymali w 1993 roku Nagrodę Nobla.
Zajmujący się zagadnieniem astronomowie zaczęli jednak przypuszczać, że takich obiektów może być znacznie więcej. "Na tyle dużo, że każdego roku może dochodzić do zderzenia dwóch, a nawet większej liczby gwiazd neutronowych. Trzeba tylko sięgnąć odpowiednio głęboko w otaczający kosmos, aby te zderzenia zaobserwować" - tłumaczy prof. Belczyński. Temu miało służyć - zbudowane w latach 90. ubiegłego wieku - obserwatorium grawitacyjne LIGO. Jednak niewielka czułość pierwszych obserwacji, nie pozwoliła sięgnąć we Wszechświat na tyle głęboko, aby zaobserwować fale grawitacyjne. LIGO było bowiem czułe na detekcje zderzenia dwóch gwiazd neutronowych tylko do 18 Mpc (jednostka odległości używana w astronomii - PAP).
Naukowcy podejrzewali, że tego rodzaju fale muszą generować jednak nie tylko gwiazdy neutronowe, ale także czarne dziury. Do powstania bardzo silnych fal grawitacyjnych powinno prowadzić w szczególności zderzenie czarnej dziury z gwiazdą neutronową, lub zderzenie dwóch czarnych dziur. "I choć współczesna astronomia, ma dowody na istnienie około 20 czarnych dziur, to do chwili obecnej nie było żadnych dowodów na istnienie systemów składających się z gwiazdy neutronowej i czarnej dziury, ani układów dwóch czarnych dziur. Nie oczekiwano więc, że to właśnie zderzenia czarnych dziur mogą być pierwszym zaobserwowanym źródłem fal grawitacyjnych" - tłumaczy prof. Belczyński.
Przełom w zrozumieniu powstawania czarnych dziur nadszedł w 2010 roku. Teoretyczne badania nad ewolucją najmasywniejszych gwiazd pozwoliły polsko-amerykańskiemu zespołowi - kierowanemu przez prof. Belczyńskiego - na przedstawienie nowej teorii powstawania czarnych dziur.
W pierwszym kroku naukowcy pokazali, że czarne dziury mogą ważyć aż 80 mas Słońca, a nie tylko 10-20 mas jak przypuszczano do tamtej chwili. "Ten wynik miał olbrzymi wpływ na ocenę szansy detekcji fal grawitacyjnych. Im cięższe są czarne dziury, tym silniejsze fale grawitacyjne produkuje ich zderzenie i tym łatwiej je dostrzec" - wyjaśnia prof. Belczyński.
W drugim etapie naukowcy wykazali, że dotychczasowe oszacowania ilości zderzeń czarnych dziur we Wszechświecie były całkowicie nieprawidłowe. "Wszystkie prace na temat powstawania układów dwóch czarnych dziur były dotychczas oparte na ewolucji gwiazd, jakie znajdują się w naszej galaktyce. Są to gwiazdy o dużej zawartości ciężkich pierwiastków - metali. Ewolucja takich gwiazd, a w szczególności ich gwałtowna ekspansja i wzrost rozmiaru zaraz po wypaleniu wodoru, powoduje, że gwiazdy te bardzo rzadko produkują układy dwóch zderzających się czarnych dziur" - wyjaśnia profesor.
Zespół prof. Belczyńskiego zauważył, że po pierwsze większość gwiazd w początkowych etapach historii Wszechświata miała w sobie bardzo niewiele ciężkich pierwiastków, a po drugie ewolucja tych gwiazd prowadzi do bardzo efektywnego tworzenia się układów z czarnymi dziurami. W praktyce te pradawne układy czarnych dziur, które powstały przed miliardami lat, zderzają się w ciągu ostatniego 1-2 miliarda lat, czyli w zasięgu widoczności obserwatorium LIGO. Ich liczba przekracza nie tylko liczbę zderzeń gwiazd neutronowych, ale też jest większa o kilkaset razy od liczby zderzeń czarnych dziur, powstających w galaktykach takich jak Droga Mleczna. Zespół postawił bardzo konkretną hipotezę: "jeżeli instrumenty takie jak LIGO osiągną czułość 50-100 Mpc, to powinna nastąpić pierwsza detekcja fal grawitacyjnych. Będzie to zderzenie dwóch czarnych dziur".
W trzecim kroku te czysto teoretyczne przewidywania znalazły pierwsze poparcie obserwacyjne. Naukowcy trafność swoich teoretycznych prac wykazali na przykładzie tzw. przerwy masowej. "Od początku lat 90. niezrozumiały był brak gwiazd neutronowych i czarnych dziur w zakresie od 2 do 5 mas Słońca. W 2012 roku - w oparciu o nasze modele - pokazaliśmy, że +przerwa masowa+ jest naturalną konsekwencją szybkości i energetyki wybuchu supernowych" - wyjaśnia naukowiec.
W latach 2010-2015 obserwatorium LIGO przeszło intensywne prace zwiększające czułość i zasięg obserwacji. Na jesieni 2015 roku rozpoczęło ponowną pracę ze zwiększoną czułością z zasięgiem 70 Mpc. Badania prowadzone w "odnowionym" obserwatorium umożliwiły pierwszą detekcję fal grawitacyjnych i potwierdziły przewidywania polsko-amerykańskiego zespołu.
W zespole prof. Belczyńskiego prace prowadzili: Tomasz Bulik, Michal Dominik, Grzegorz Wiktorowicz oraz Wojciech Gladysz. Badania dofinansowały Narodowe Centrum Nauki oraz Fundacja na rzecz Nauki Polskiej.
Istotny wkład w doprowadzeniu do pierwszej obserwacji fal grawitacyjnych wniosło w sumie 15 polskich naukowców pracujących w grupie POLGRAW. W projekcie - oprócz naukowców z Uniwersytetu Warszawskiego - uczestniczyli badacze z Instytutu Matematycznego PAN, Centrum Astronomicznego im. Mikołaja Kopernika PAN, Narodowego Centrum Badań Jądrowych, a także uniwersytetów: w Białymstoku, Mikołaja Kopernika w Toruniu, Wrocławskiego i Zielonogórskiego.
Profesor Belczyński i jego zespół przygotował już astrofizyczną interpretację pierwszej detekcji fal grawitacyjnych. Praca jest recenzowana w specjalistycznym czasopiśmie o zasięgu międzynarodowym. Więcej na temat teoretycznych prac zespołu można znaleźć tutaj.
PAP - Nauka w Polsce
http://naukawpolsce.pap.pl/aktualnosci/news,408430,polacy-juz-w-2010-r-wyliczyli-ze-zrodlem-fal-grawitacyjnych-beda-czarne-dziury.htmlKosmos rozpisany na 20 tysięcy linii kodu
26.07.2013
Pozwoli zobaczyć gwiazdy sprzed milionów lat, ocenić jak będą wyglądały w przyszłości, a nawet sprawdzić czy Ziemi zagraża katastrofa. Komputerowy model kosmosu, który za pomocą obliczeń wyjaśnia zagadki Wszechświata, naukowcy rozpisali na 20 tys. linii kodu.
Komputerowy model kosmosu opracowali naukowcy z Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Warszawskiego. Za pomocą wykonywanych przez niego obliczeń mogą sprawdzić, jak w tej chwili funkcjonuje wybrana gwiazda, czy populacje gwiazdowe w całych galaktykach. „Takie modelowanie aktualnego stanu gwiazdy możemy przeprowadzić dla miliona, 10 czy 100 milionów gwiazd, w zależności od tego, co chcemy badać: jaką galaktykę, jaki system gwiazdowy” – powiedział PAP kierujący zespołem uczonych dr hab. Krzysztof Belczyński.
Jednak to zaledwie mała część możliwości systemu, bo dzięki niemu naukowcy mogą też „przemieszczać się w czasie” - wracać do przeszłości i wybiegać w przyszłość. „Przeprowadzaną w komputerze ewolucję gwiazdy mogę w dowolnym momencie zatrzymać, zapytać się, jak bardzo jest jasna, gdzie jest na niebie? Czy utworzy białego karła, gwiazdę neutronową, czy wybuchnie jako supernowa, czy zniknie” – wyjaśnił uczony. „Tworzymy gwiazdy, prowadzimy ich ewolucję według naszych zasad. Trochę bawimy się tu w Boga, to niezła zabawa” – dodał.
Powrót do przeszłości jest możliwy właśnie dzięki komputerowym wyliczeniom. „Możemy przenosić się w czasie, aż do momentu, kiedy zaczęły tworzyć się pierwsze gwiazdy aż 12 miliardów lat temu i sprawdzać, jak wyglądały wtedy” – wyjaśnił dr Belczyński.
W Obserwatorium Astronomicznym UW zainicjowano też program modelowania ewolucji gwiazd, by zobaczyć, co ciekawego w przyszłości stanie się z danym obiektem niebieskim, a także podejrzeć, czy jakieś niebezpieczeństwo nie zagraża Ziemi. Naukowcy mogą np. oszacować, ile gwiazd w najbliższych latach wybuchnie w naszej galaktyce jako supernowe i spowoduje błyski gamma.
„Zrobiliśmy takie symulacje i okazało się, że niebezpieczeństwo pojawienia się takiego błysku w pobliżu Ziemi jest bardzo niskie. Obserwujemy ich kilka każdego tygodnia, ale są za daleko, by mogły spowodować jakąś katastrofę. Na szczęście, bo skutki rozbłysku byłyby opłakane, oznaczałyby +sterylizację+ planety” – opisał naukowiec.
Jak tłumaczył dr Belczyński, uczeni z jego grupy badawczej skupiają się przede wszystkim na badaniu gwiazd neutronowych i czarnych dziur. „To są najciekawsze obiekty we Wszechświecie, z których możemy się wiele nauczyć. Problem jest jednak taki, że słabo je widać. Gwiazdowych czarnych dziur widać kilkadziesiąt we Wszechświecie. Tymczasem z naszych wyliczeń wynika, że są ich setki tysięcy tylko w naszej galaktyce. Dzięki obliczeniom możemy podpowiedzieć obserwatorom, gdzie je najłatwiej można znaleźć” – tłumaczy astrofizyk.
Wykonanie jednego projektu badawczego, np. symulacji jednej galaktyki, zajmuje doktorantom około miesiąca. „Wyliczenie ewolucji jednej gwiazdy może zająć zaledwie parę sekund. To niby bardzo krótko, ale jeśli chciałbym na jednym komputerze obliczyć np. ewolucję galaktyki, to z tego zrobiłyby się lata obliczeń. Nasze obliczenia prowadzimy więc na komputerach, które mają po tysiąc, sto tysięcy procesorów” – opisał uczony.
Naukowcy badając jakiś problem astronomiczny i tak skupiają się na wycinkach Wszechświata, np. typowych galaktykach. Na tej podstawie można potem wyciągać dalej idące wnioski. "Mamy 100 miliardów gwiazd w naszej galaktyce i 100 miliardów galaktyk we Wszechświecie. Musimy stosować uproszczenia, bo nie da się wyewoluować całego Wszechświata. Policzenie wszystkiego jest niemożliwe" - podkreślił dr Belczyński.
Z efektów pracy modelu mogą korzystać właściwie wszyscy naukowcy. "Gdy otrzymamy jakiś model np. ewolucji układów gwiazdowych zawierających czarne dziury, to jego wynik umieszczamy w internecie. Dane są ogólnodostępne i opisane po angielsku. Prosimy tylko o cytowanie nas" – wyjaśnia rozmówca PAP.
Obecnie wyników naukowców z Warszawy używa kilka grup do badań mikrosoczewkowania czy badania ewolucji chemicznej Wszechświata. Jednak – jak zaznaczył dr Belczyński - prawdziwe owoce jego grupa zacznie zbierać za około pół roku. Wtedy ukaże się więcej prac naukowych, które już mogły skorzystać z danych.
Na świecie jest około pięciu kodów do tego rodzaju symulacji. "Nasz jest unikalny, bo uwzględnia np. różnorodność chemiczną gwiazd. Jest też najczęściej używanym przez astrofizyków kodem do badań nad gwiazdami neutronowymi oraz czarnymi dziurami” – powiedział uczony.
Badania nad komputerowym modelem kosmosu dofinansowała Fundacja na rzecz Nauki Polskiej, która dr. Krzysztofa Belczyńskiego nagrodziła w programie "Mistrz". Subsydia otrzymują w nim wybitni naukowcy na realizację trzyletnich projektów badawczych.
PAP - Nauka w Polsce, Ewelina Krajczyńska
http://naukawpolsce.pap.pl/aktualnosci/news,396392,kosmos-rozpisany-na-20-tysiecy-linii-kodu.html
Wątek: Możliwe potwierdzenie istnienia fal grawitacyjnych (LIGO) (Przeczytany 27094 razy)