Pentru prima dată au fost măsurate unde gravitaționale care provin de la sisteme ce conțin o gaură neagră și o stea de neutroni. Aceste unde gravitaționale ne pot ajuta să înțelegem mai bine stelele de neutroni, dar și distribuția găurilor negre și a sistemelor de acest gen în Univers.

Undele gravitaționale

Existența undelor gravitaționale a fost prevăzută de teoria relativității generale a lui Einstein, cea care leagă materia și energia din Univers de geometria spațiului și a timpului. Atunci când au loc mișcări accelerate de obiecte masive în Univers se generează oscilații ale geometriei spațiului și a timpului, care se propagă prin Univers: sunt așa-numitele unde gravitaționale. Undele gravitaționale au fost pentru prima dată măsurate de către antenele gravitaționale LIGO în 2015 – și erau legate de ciocnirea a două găuri negre masive. De atunci au fost măsurate mai multe astfel de evenimente atât cu antenele gravitaționale LIGO din Statele Unite cât și cu VIRGO din Italia. Undele gravitaționale măsurate aparțin, majoritatea, ciocnirilor de găuri negre îndepărtate; un eveniment a fost însă generat de ciocnirea a două stele de neutroni.

Cum se măsoară undele gravitaționale? 

Atunci când o undă gravitațională ajunge la noi propagându-se prin Univers, aceasta are ca rezultat modificarea distanțelor în direcția în care se propagă. Modificările sunt însă extrem de mici – mult mai mici decât dimensiunea unui proton. Din acest motiv a fost necesară dezvoltarea unor tehnici deosebite pentru așa-numitele antene gravitaționale. Acestea folosesc fascicule laser și oglinzi aproape perfecte; două fascicule laser care se propagă în două direcții perpendiculare sunt puse în interferență. Când o undă gravitațională traversează Pământul au loc mici variații ale lungimilor brațelor care sunt diferite în cele două direcții ale antenei. Rezultatul final este o modificare e figurii de interferență. Brațele antenelor gravitaționale LIGO și VIRGO au lungimi de 4 km (LIGO) și 3 km (VIRGO). 

O gaură neagră și o stea de neutroni

Până recent undele gravitaționale observate erau generate de ciocniri de obiecte cosmice de același tip: ori două găuri negre ori (un singur caz) două stele de neutroni. Se caută de zor o ciocnire cu unde gravitaționale între o gaură neagră și o stea de neutroni – două obiecte diferite care să fie văzute prin această tehnică deosebită. Iată că într-un nou articol în revista Astrophysical Journal Letters cercetătorii care lucrează în LIGO și VIRGO, împreună cu cercetători din alte grupuri, au prezentat două măsurători de unde gravitaționale care provin din ciocniri de găuri negre cu stele de neutroni. Este vorba despre evenimente care au fost măsurate pe 5 și 15 ianuarie 2020, denumite GW200105 și GW200115.

Unda gravitațională GW200115 a fost generată de ciocnirea unei găuri negre cu masa de circa 6 ori cea a Soarelui cu o stea de neutroni cu masă 1,5 volte cea a Soarelui; a avut loc la aproape 1 miliard de ani lumină față de noi și a fost măsurată de cele 2 antene LIGO și de VIRGO. A doua undă gravitațională, GW200105, a fost văzută de doar una dintre antenele LIGO și (slab) de VIRGO și a fost generată de ciocnirea unei găuri negre cu masa de 9 ori cea a Soarelui cu o stea de neutroni cu masă circa 1,9 ori cea a astrului nostru, la o distanță de aproximativ 900 milioane ani lumină. Nu au fost descoperite radiații electromagnetice care ar putea să fie corelate cu aceste evenimente.

Ce putem învăța   

Din studiul acestor fenomene putem afla cam câte sunt în Univers ciocnirile între găuri negre și stele de neutroni și câte am putea măsura: astfel, s-a ajuns la concluzia că într-o rază de 1 miliard de ani lumină ar putea să existe cam o ciocnire de acest tip pe lună. Deasemenea, putem studia aceste unde gravitaționale pentru a afla cum are loc unirea celor două obiecte, dar și, indirect, cum se nasc sisteme binare de acest gen. Și cine știe ce alte surprize ne așteaptă!

Rubrică realizată de Cătălina Curceanu, prim cercetător în domeniul fizicii particulelor elementare şi al fizicii nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Roma, Italia) şi Luminiţa Costea, profesoară de Fizică la Colegiul Naţional „Mihai Viteazul”, Sfântu Gheorghe