Teoria przewiduje, że detektory fal grawitacyjnych powinny być w stanie zaobserwować populację ogromnych czarnych dziur. Nowe badania sprawdzają, czego dowiemy się o tych tajemniczych obiektach i kiedy możemy mieć nadzieję na ich odnalezienie.
Preferowany rozmiar
Tak zwane czarne dziury o masie gwiazdowej – czarne dziury badane przez detektory fal grawitacyjnych, takie jak LIGO/Virgo – mogą teoretycznie osiągać szerokie zakresy rozmiarów, od zaledwie kilku do setek mas Słońca.
Detektory fal grawitacyjnych LIGO/Virgo odkryły sygnały pochodzące od dziesiątek podwójnych czarnych dziur kończących swoją ostatnią spiralę śmierci i łączących się. Jak dotąd te obserwowane pierwotne czarne dziury znajdują się głównie w zakresie mas poniżej ~45 mas Słońca, co wskazuje na gwałtowny spadek populacji układów podwójnych czarnych dziur powyżej tej masy.
Unikanie niestabilnego zakończenia
Dlaczego jest taki niedobór cięższych czarnych dziur? Teoretycy mają wytłumaczenie: luka masowa niestabilności par. W oparciu o nasze rozumienie ewolucji gwiazd, czarne dziury w pewnym zakresie mas – około 50-100 mas Słońca – nie powinny być w stanie się uformować. Ta luka masowa powstaje, ponieważ przewiduje się, że gwiazdy macierzyste potrzebne do wytworzenia czarnych dziur tej wielkości ulegają niekontrolowanemu procesowi ucieczki, ostatecznie eksplodując jako gwałtowne supernowe, które uniemożliwiają formowanie się pozostałości czarnych dziur.
Formowanie się czarnych dziur o masie powyżej ~120 mas Słońca powinno być jednak nadal możliwe, dlatego też naukowcy spodziewają się, że w naszej galaktyce i poza nią będzie się czaić populacja ogromnych czarnych dziur o masie leżącej po drugiej stronie luki masowej. W nowych badaniach naukowcy z Uniwersytetu w Chicago Jose María Ezquiaga i Daniel Holz dokładniej analizują te przekonania.
Polowanie na dalekim brzegu
Ezquiaga i Holz wykorzystują statystyki przeszłych detekcji podwójnych czarnych dziur oraz przewidywań dotyczących możliwości obecnych i przyszłych detektorów fal grawitacyjnych, aby oszacować, co nas czeka w kategoriach czarnych dziur po drugiej stronie luki masowej.
Po pierwsze, autorzy pokazują, że te najcięższe źródła byłyby najbardziej masywnymi źródłami wykrywalnymi przez LIGO/Virgo, i – jeżeli istnieją – naukowcy powinni być w stanie dostrzec do kilkudziesięciu z nich podczas dwóch następnych okresów obserwacyjnych LIGO/Virgo (O4 i O5).
Co więcej, układy podwójne po drugiej stronie luki masowej powinny również znaleźć się w paśmie obserwacyjnym LISA, zbliżającej się misji kosmicznej, która zajmie się falami grawitacyjnymi. Mogą one zdominować populacje układów podwójnych, które mogą być obserwowane zarówno przez LIGO/Virgo, jak i LISA, dostarczając cennych informacji o tym, jak tempo łączenia się układów podwójnych czarnych dziur zmienia się w czasie.
Wreszcie, Ezquiaga i Holz pokazują, że obserwacje układów podwójnych spoza luki masowej za pomocą LISA, LIGO/Virgo i Teleskopu Einsteina (detektor nowej generacji) dostarczą niezależnych miar ekspansji Wszechświata przy różnych wartościach przesunięcia ku czerwieni: odpowiednio z~0,4, 0,8 i 1,5. Wykorzystując górną krawędź luki masowej, czarne dziury leżące daleko poza nią mogą działać jak standardowe syreny, umożliwiając precyzyjną kosmologię.
Wkrótce zostanie odnaleziony?
Jaki jest więc wniosek? Perspektywy dla czarnych dziur spoza luki masowej są dobre!
Jeżeli te ciężkie obiekty istnieją, naukowcy powinni je dostrzec w ciągu kilku lat i będą one w stanie dostarczyć nam cennych informacji na różne naukowe pytania. Jeżeli nie zaobserwują żadnej w tym czasie, będzie to również mocne stwierdzenie na temat powstawania czarnych dziur, wymagające nowych teorii wyjaśniających ten niedobór.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
AAS
Na ilustracji: Wizja artystyczna łączących się czarnych dziur. Źródło: SXS Lensing