Wyobraźmy sobie, że trzy mikrofony nagrywają tę samą, znaną melodię. Jeden wzmacnia część tonów i opóźnia inne. Porównanie nagrań pozwala rozpoznać jego zniekształcenia. W badaniu rolę melodii odegrały fale grawitacyjne, a mikrofonów – trzy obserwatoria. Hanford to jeden z dwóch amerykańskich detektorów LIGO. Ma dwa czterokilometrowe ramiona i znajduje się w stanie Waszyngton. Drugi detektor LIGO działa w Livingston w Luizjanie, a europejski Virgo – we Włoszech.

Detektory mierzą niezwykle małe zmiany długości swoich ramion. Surowy sygnał elektryczny trzeba jednak przeliczyć na odkształcenie czasoprzestrzeni. Służy temu kalibracja. Zwykle to światło z laserów wywiera delikatny, znany nacisk na zwierciadła i pozwala sprawdzić odpowiedź urządzenia. Kalibracja astrofizyczna wykorzystuje natomiast sam sygnał z kosmosu. Pozwala sprawdzić działanie instrumentu dokładnie w chwili i w zakresie częstotliwości, w których nastąpiła obserwacja, bez odwoływania się do aparatury kalibracyjnej tego detektora. Może więc ujawnić błędy zwykłych pomiarów, a gdy są one niepełne – uratować dane, które inaczej należałoby pominąć.

Dwie krążące wokół siebie czarne dziury tracą energię, zbliżają się i poruszają coraz szybciej. Wytwarzane fale stają się silniejsze, a ich częstotliwość rośnie. Gdy zapis przedstawi się jako dźwięk, przypomina ton szybko przechodzący od niskich do wysokich częstotliwości, nazywany „ćwierknięciem” (ang. chirp). Nie jest to prawdziwy dźwięk dochodzący z kosmosu, lecz akustyczna reprezentacja pomiaru. Przebieg sygnału przewiduje ogólna teoria względności. Jeśli rejestruje go kilka obserwatoriów, można odróżnić jego prawdziwe cechy od zniekształceń jednego instrumentu.

Pierwszy sygnał, GW240925, pochodził z połączenia czarnych dziur o masach około dziewięciu i siedmiu mas Słońca. W Hanford występowała wtedy niespójność w konfiguracji kalibracji: wartość jednego z parametrów używanych przez układ sterowania detektorem różniła się od wartości przyjętej w modelu służącym do przeliczania danych. Powstały w ten sposób błąd miejscami zmieniał amplitudę sygnału nawet o około 20 proc. Kalibrację wyprowadzoną ze wspólnej analizy zapisów z Hanford, Livingston i Virgo porównano następnie z niezależnymi pomiarami wykonanymi przy detektorze. Oba wyniki były zgodne, co potwierdziło, że metoda działa.

Hanford nie jest z natury mniej dokładny od Livingston i Virgo. Drugi sygnał, GW250207, także przypadkowo nadszedł jednak w nietypowym momencie. Detektor dopiero kończył wchodzenie w tryb obserwacyjny. Układy sterowania utrzymywały już lasery i zwierciadła we właściwej konfiguracji, a zakłócenia były na tyle małe, że można było wykrywać fale grawitacyjne. Odpowiedź detektora nadal się jednak zmieniała wskutek stopniowego nagrzewania zwierciadeł przez laser, a sygnały służące do kontrolowania kalibracji nie zdążyły się ustabilizować. Dane nadawały się więc do analizy, ale nie było jeszcze pewności, jak dokładnie instrument zmienił ich amplitudę i fazę.

GW250207 pochodził z połączenia czarnych dziur o masach około 35 i 31 mas Słońca i należał do najsilniejszych dotychczas zarejestrowanych sygnałów. Na podstawie danych ze wszystkich trzech obserwatoriów naukowcy określili, jak niepewna odpowiedź Hanford wpływała na jego zapis. Uwzględnienie tej kalibracji pozwoliło wiarygodnie włączyć dane detektora do analizy.

Dodanie trzeciego detektora dostarczyło informacji o czasie nadejścia i kształcie fali obserwowanej z kolejnego miejsca na Ziemi. Umożliwiło to dokładniejsze porównanie opóźnień między obserwatoriami i wyznaczenie kierunku, z którego nadszedł sygnał. Obszar nieba, w którym najprawdopodobniej znajdowało źródło zmalał z około 800 do 20 stopni kwadratowych.

Kalibracja chroni również przed pomyleniem zachowania instrumentu z właściwościami czarnych dziur. Na przykład zniekształcenie sygnału GW250207 mogło wyglądać jak ślad zmiany kierunku ich osi obrotu. Błędy mogą też wypaczać pomiary mas i odległości, a nawet naśladować odstępstwa od ogólnej teorii względności.

Autorami publikacji są członkowie współprac naukowych LIGO, Virgo i KAGRA, w tym badacze afiliowani przy Centrum Astronomicznym im. Mikołaja Kopernika PAN, Uniwersytecie Warszawskim, Narodowym Centrum Badań Jądrowych, Uniwersytecie w Białymstoku, Instytucie Matematycznym PAN oraz Uniwersytecie Jagiellońskim. Wyniki opisano w czasopiśmie Physical Review Letters.

Kalibracja astrofizyczna nie zastąpi pomiarów wykonywanych przy obserwatoriach. Jest mniej precyzyjna, wymaga wyjątkowo silnego i dobrze opisanego sygnału, a najlepsze wyniki daje przy współpracy kilku detektorów. Może jednak służyć jako niezależna kontrola i ratować wartościowe dane, gdy zwykła kalibracja jest niepełna. (PAP)

kmp/ agt/