Detektory LIGO i Virgo ponownie zaczną rejestrować fale grawitacyjne

W przyszłym tygodniu detektory LIGO i Virgo ponownie zaczną rejestrować sygnały fal grawitacyjnych. Przewiduje się detekcję ponad 200 zdarzeń  do końca bieżącej kampanii  obserwacyjnej (O4). Astronomowie mają również nadzieję, że wykryte zostaną nowe wieloaspektowe zdarzenia czyli takie, które będą zaobserwowane zarówno w zakresie fal grawitacyjnych, jak i elektromagnetycznych. Tego typu zjawiska będą mogły być dalej monitorowane  przez inne teleskopy.

Współpraca LIGO-Virgo-KAGRA rozpocznie drugą część swojej czwartej kampanii obserwacyjnej (O4b) już 10 kwietnia. Europejski detektor Virgo we Włoszech, w pobliżu Pizy, dołączy do dwóch detektorów fal grawitacyjnych  LIGO w Hanford w stanie Waszyngton i Livingston w stanie Luizjana w USA. Detektory LIGO prowadziły obserwacje w  pierwszej części kampanii obserwacyjnej  (O4a) w okresie od maja 2023 do stycznia 2024 roku. O4b ma trwać do początku 2025 roku.

„Astronomia fal grawitacyjnych stała się kluczową i unikatową metodą obserwacji  Wszechświata. Dzięki danym z tej kampanii obserwacyjnej przyczynimy się w dalszym stopniu do znacznego poszerzenia naszej wiedzy o najciemniejszych i najbardziej gwałtownych zjawiskach  we Wszechświecie”, mówi Patrick Brady, rzecznik LIGO Scientific Collaboration.

„Obserwatoria fal grawitacyjnych to nowatorskie projekty i jako takie stoją przed wieloma wyzwaniami. Dziś jesteśmy bardzo zadowoleni, że możemy dołączyć do nowej kampanii obserwacyjnej. Wkład Virgo będzie kluczowy dla poprawy lokalizacji zdarzeń związanych również z emisją elektromagnetyczną, które spodziewamy się wykryć w drugiej fazie kampanii”, mówi rzecznik Virgo i badacz INFN Gianluca Gemme.

Dwa detektory LIGO rozpoczęły kampanię O4a 24 maja 2023 r., przerywając ją 16 stycznia 2024 r. w celu konserwacji i modernizacji. W maju 2023 r. Virgo podjęło decyzję o przedłużeniu działań związanych z rozruchem detektora  do 2024 r., aby zniwelować wpływ kilku źródeł szumu. Detektor KAGRA w Japonii dołączył do O4a na jeden miesiąc w celu przeprowadzenia pierwszych obserwacji na zwiększonej czułości.

Rozwój  astronomii fal grawitacyjnych

Okres obserwacyjny O4 ma trwać łącznie 18 miesięcy, nie licząc przerw na modernizację detektorów. W ciągu zaledwie pierwszych siedmiu i pół miesiąca (O4a) dwa detektory LIGO zidentyfikowały 81 sygnałów z wysokim prawdopodobieństwem wyemitowanych przez  astrofizyczne źródła, zgodnie z oczekiwanym tempem wykrywania zdarzeń co 2 lub 3 dni. Do końca O4a w lutym 2025 roku, przy podobnym tempie detekcji, całkowita liczba zaobserwowanych sygnałów fal grawitacyjnych może przekroczyć 200.

Ogromna ilość danych z O4a jest nadal analizowana, a naukowcy ze współpracy naukowej LIGO-Virgo-KAGRA oczekują, że O4 spełni swoją obietnicę wyniesienia astronomii fal grawitacyjnych na wyższy poziom.

Niektóre z najbardziej znaczących obserwacji astrofizycznych zostaną ogłoszone już w nadchodzących miesiącach. Zwiększona czułość detektorów jeszcze bardziej poprawi zdolność naukowców do testowania ogólnej teorii względności Einsteina i badania populacji obiektów zwartych, takich jak czarne dziury i gwiazdy neutronowe,  w lokalnym Wszechświecie.

Postęp w nauce i w technologii

LIGO

Detektory LIGO przerwały obserwacje pod koniec O4a, z powodu zaplanowanej modernizacji. Od tego momentu eksperci zarówno w LIGO Hanford jak i w LIGO Livingston  pracowali nad usprawnieniem detektorów. Jedno z głównych zadań obejmowało ulepszenie systemów optycznych, które “ściskają” światło lasera, umożliwiając detektorom LIGO przekroczenie limitów czułości narzuconych przez mechanikę kwantową. Kolejne usprawnienie polegało na znalezieniu i odizolowaniu źródeł szumów w licznych komorach próżniowych w halach eksperymentalnych na końcach 4-kilometrowych ramion. Te i inne udoskonalenia zapewnią, że obserwowany trend poprawy czułości i  czasu obserwacji podczas O4a, w którym zakres wykrywania koalescencji gwiazd neutronowych w układach podwójnych wzrósł z około 140 Mpc do ponad 160 Mpc, będzie kontynuowany w trakcie O4b, a także po jego zakończeniu.

Virgo

“Stawianie czoła wyzwaniom jest integralną częścią przedsięwzięć na granicach nauki i technologii, takich jakim jest modernizacja i uruchomienie detektora fal grawitacyjnych” – powiedział rzecznik Virgo, naukowiec pracujący w INFN Gianluca Gemme. “Dobrą wiadomością jest to, że po długim okresie uruchamiania i wielu trudnościach udało nam się zwiększyć zasięg detektora, do wykrywania koalescencji dwóch gwiazd neutronowych, do 60 Mpc, co jest powtórzeniem najwyższego poziomu czułości osiągniętego przez Virgo w przeszłości. Prace nad dalszą poprawą czułości będą kontynuowane w trakcie rozpoczynającej się  kampanii obserwacyjnej.”

KAGRA

Detektor KAGRA w Japonii, który planował dołączyć do O4b od samego jego początku, dołączy do wspólnej obserwacji w ostatnich miesiącach 2024 roku po naprawie szkód spowodowanych w kilku elementach eksperymentu przez trzęsienie ziemi na półwyspie Noto (trzęsienie o sile 7,6 w skali MJMA, z epicentrum oddalonym od detektora KAGRA o 120 km) 1 stycznia 2024 roku. Pomimo tylko niewielkich uszkodzeń tunelu, systemu próżniowego oraz systemu kriogenicznego, 9 z 20 systemów izolatorów sejsmicznych luster wymaga naprawy, co spowoduje opóźnienie o co najmniej pół roku w porównaniu z oryginalnym planem.

Naukowcy z KAGRA zakończą modernizację detektora  tak szybko jak to możliwe, aby wznowić prace nad jego rozruchem, a następnie dołączyć do O4b z zasięgiem do wykrywania koalescencji dwóch gwiazd neutronowych do odległości 10 Mpc.

Cele naukowe kampanii obserwacyjnej

Mamy nadzieję, że w nadchodzących miesiącach będziemy w stanie wykryć nowe źródła  fal grawitacyjnych, przypisywane do tzw. astronomii  wieloaspektowej, w której to samo zjawisko obserwowane jest również w zakresie promieniowania elektromagnetycznego przez teleskopy na Ziemi lub w kosmosie, tak jak było to w przypadku słynnej obserwacji połączenia dwóch gwiazd neutronowych z 17 sierpnia 2017 r. (GW170817).

Udział Virgo będzie mieć szczególnie istotne znaczenie w  polepszeniu  lokalizacji źródeł na niebie przez sieć detektorów fal grawitacyjnych. Szczególnie interesującymi zdarzeniami do obserwacji są: koalescencje dwóch  gwiazd neutronowych lub czarnej dziury z gwiazdą neutronową, czy też wybuchy supernowych. Warto podkreślić, że z wymienionych typów źródeł te ostatnie nigdy wcześniej nie zostały zaobserwowane za pomocą detektorów fal grawitacyjnych.

W porównaniu z ostatnią kampanią obserwacyjną ulepszone zostały detektory, dodane zostały nowe i jeszcze dokładniejsze modele sygnałów oraz bardziej zaawansowane metody analizy danych. Wszystko to razem zwiększa szanse, że analiza danych pozwoli wykryć  sygnały fal  grawitacyjnych innego rodzaju. Jednym z nich mogą być tzw. ciągłe fale grawitacyjne, czyli sygnały o niemal stałej i dobrze określonej częstotliwości, generowane przez wirujące gwiazdy neutronowe (pulsary) o asymetrycznym rozkładzie masy – wystarczyłaby „góra” o wysokości zaledwie milimetrów.

Nowe dane z O4 mogą również pomóc w poszerzeniu naszej wiedzy na temat pierwotnego tła promieniowania grawitacyjnego, będącego wynikiem przypadkowego nakładania się fal grawitacyjnych wytwarzanych w najwcześniejszych etapach istnienia Wszechświata, a także podobnych tła, które powstają w wyniku kombinacji wielu jednoczesnych koalescencji, wybuchów lub sygnałów typu ciągłego, wytwarzanych w całym Wszechświecie. Wskazówki o możliwości istnienia takiego stochastycznego tła prawdopodobnie pochodzącego ze zlewających się układów podwójnych supermasywnych czarnych dziur, udało się ostatnio uzyskać w sposób pośredni za pomocą układów radioteleskopów EPTA, InPTA, NANOGrav, PPTA i CPTA. Duża liczba badaczy LIGO, Virgo i KAGRA intensywnie pracuje nad analizą obserwacji dokonanych w O4a, a także tych zaplanowanych na nadchodzące miesiące, w celu znalezienia tła promieniowania pochodzącego od koalescencji układów podwójnych o masach gwiazdowych. Wiele działań w różnych dziedzinach badań jest podejmowanych wspólnie przez trzy kolaboracje i jest możliwych dzięki zaangażowaniu wszystkich osób.

As in previous observing runs, alerts about gravitational-wave detection candidates will be distributed publicly during O4b. Information about how to receive and interpret public alerts is available at https://wiki.gw-astronomy.org/OpenLVEM.

Podobnie jak w przypadku poprzednich kampanii obserwacyjnych, podczas O4b będą rozpowszechniane publicznie alerty o kandydatach do wykrycia fal grawitacyjnych. Informacje o tym, jak odbierać i interpretować publiczne alerty, są dostępne na stronie https://wiki.gw-astronomy.org/OpenLVEM.

Detektory fal grawitacyjnych

LIGO jest finansowane przez NSF a obsługiwane przez Caltech i MIT, które zainicjowały projekt i zbudowały obserwatoria. Wsparcie finansowe dla projektu Advanced LIGO było koordynowane przez NSF przy udziale Niemiec (Max Planck Society), Wielkiej Brytanii (Science and Technology Facilities Council) i Australii (Australian Research Council), które wniosły znaczący wkład w projekt. Ponad 1600 naukowców z całego świata uczestniczy w projekcie za pośrednictwem LIGO Scientific Collaboration, która obejmuje także GEO Collaboration. Lista dodatkowych partnerów projektu znajduje się na stronie http://ligo.org/partners.php.

Grupa naukowców biorących udział w projekcie Virgo składa się obecnie z około 880 członków ze 152 instytucji w 17 różnych krajach (głównie europejskich). Europejskie Obserwatorium Grawitacyjne (EGO) zarządza infrastrukturą detektora Virgo położonego w pobliżu Pizy we Włoszech. Projekt Virgo jest finansowany przez Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) z Francji, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) z Włoch oraz National Institute for Subatomic Physics (Nikhef) z Holandii. Listę grup badawczych uczestniczących w projekcie Virgo można znaleźć na stronie: https://www.virgo-gw.eu/about/scientific-collaboration/. 

Więcej informacji na temat Virgo można znaleźć na stronie internetowej projektu pod adresemhttps://www.virgo-gw.eu.

KAGRA to interferometr Michelsona o długości ramion 3 km usytuowany w Kamioka w prefekturze Gifu w Japonii. Instytutem wiodącym w projekcie jest Institute for Cosmic Ray Research (ICRR) na Uniwersytecie Tokijskim, a współgospodarzami projektu są National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) i High Energy Accelerator Research Organization (KEK). Grupa badaczy należąca do projektu KAGRA składa się z ponad 400 członków ze 128 instytutów w 17 krajach/regionach. Więcej informacji popularno-naukowych o projekcie KAGRA można znaleźć na stronie at https://gwcenter.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/. Zasoby dla naukowców są dostępne zaś na stronie http://gwwiki.icrr.u-tokyo.ac.jp/JGWwiki/KAGRA