Nowe obserwacje dotyczące gwiazdowych czarnych dziur

Czy czarne dziury mają preferowany rozmiar? Nowe przeglądy badały populacje czarnych dziur uczestniczących w katastrofalnych zderzeniach emitujących fale grawitacyjne – i wyłonił się z nich interesujący wzór.

Kwestia masy
Populacja tak zwanych czarnych dziur o masie gwiazdowej we Wszechświecie stanowi interesującą zagadkę: jakiej wielkości są one zazwyczaj, i dlaczego?

Przed rokiem 2015 naukowcy zmierzyli masę niewielkiej liczby czarnych dziur o masie gwiazdowej za pomocą obserwacji elektromagnetycznych. Te czarne dziury ważyły pomiędzy ~5 do ~20 mas Słońca, dając naukowcom – lub tak im się wydawało – dość spójny obraz tych tajemniczych ciał.

Obraz ten został jednak zaburzony przez pierwszą detekcję fal grawitacyjnych pochodzących od łączącej się pary czarnych dziur, odebraną przez detektory LIGO/Virgo. Sygnał pochodzi od czarnych dziur o masach ~30 i ~35 mas Słońca – obie były znacznie cięższe od wcześniej obserwowanych czarnych dziur o masach gwiazdowych. Od tego czasu, kolejne łączące się czarne dziury obserwowane przez LIGO/Virgo nadal mają masę powyżej 20 mas Słońca. Niektóre z nich ważą nawet ponad 80 lub 90 razy więcej niż Słońce!

Teraz, gdy naukowcy zebrali już wiele obserwacji, mogą zacząć zastanawiać się, jak wygląda rozkład masy w bazowej populacji łączących się czarnych dziur o masie gwiazdowej. Nowe badania przeprowadzone przez zespół naukowców Vaibhava Tiwari i Stephena Fairhursta (Uniwersytet w Cardiff, Wielka Brytania) zagłębiają się w katalog detekcji LIGO/Virgo w poszukiwaniu odpowiedzi.

Budowanie dystrybucji
Tiwari i Fairhurst używają GWTC-2, drugiego katalogu detekcji LIGO/Virgo, do analizy populacji 39 silnych sygnałów połączeń podwójnych czarnych dziur. Autorzy wykorzystują model statystyczny, aby zrekonstruować bazową populację łączących się czarnych dziur na podstawie tych danych, oraz badać rozkłady spinów i mas tej populacji.

Najprościej byłoby, gdyby masy czarnych dziur podążały za malejącym prawem potęgowym: ponieważ czarne dziury powstają z masywnych gwiazd, a mniejsze gwiazdy są liczniejsze niż większe, spodziewalibyśmy się płynnie malejącego rozkładu mas czarnych dziur.

Zamiast tego, Tiwari i Fairhurst wykrywają strukturę w rozkładzie na szczycie malejącego prawa mocy: zestaw czterech szczytów, które wypadają przy masach składników 9, 16, 30 i 57 mas Słońca.

Ślady wskazują na więcej zderzeń
Co się dzieje? Autorzy pokazują, że może to być wskazówka, jak uformowały się te czarne dziury.

W scenariuszu hierarchicznej fuzji, gdzie czarne dziury powstają poprzez kolejne zderzenia mniejszych czarnych dziur, spodziewalibyśmy się spiętrzenia masy w miejscu pierwszego szczytu w rozkładzie masy, a następnie kolejnych szczytów oddalonych od siebie o współczynnik około 2.

Być może więc wykrycie przez autorów uporządkowanego rozkładu wskazuje na to, że wiele łączących się gwiazdowych czarnych dziur w naszym Wszechświecie nie ewoluowało w izolacji, ale zamiast tego uformowało się w wyniku kolejnych zderzeń w gęstych środowiskach gwiazdowych.

Tiwari i Fairhurst ostrzegają, że wyniki są obecnie oparte na bardzo małej liczbie punktów danych i będziemy musieli poczekać, aż zgromadzimy więcej detekcji, aby móc wysunąć jakiekolwiek solidne twierdzenia. Jeżeli jednak przyszłe obserwacje potwierdzą te trendy, może to dostarczyć cennego wglądu w czarne dziury o masie gwiazdowej we Wszechświecie.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:
AAS

Vega

Na ilustracji: Wizja artystyczna zderzających się czarnych dziur. Źródło: Aurore Simonnet/Sonoma State/Caltech/MIT/LIGO