Wyjaśnienie zjawiska łączenia się supermasywnych czarnych dziur

Gdy galaktyki łączą się, supermasywne czarne dziury w ich centrach wirują wokół siebie i w końcu łączą się w jedną czarną dziurę. Jak możemy wytropić te masywne fuzje?

Polowanie na masywne połączenia
Od czasu pierwszego wykrycia fal grawitacyjnych pochodzących od pary czarnych dziur o masie gwiazdowej w 2015 roku, fale grawitacyjne są potężnym narzędziem do badania łączących się czarnych dziur. Jednak wykrycie niezwykle długich fal grawitacyjnych pochodzących od łączących się supermasywnych czarnych dziur – o długościach fali sięgających dziesiątek lat świetlnych! – jest poza naszymi obecnymi możliwościami. Jakich innych metod możemy użyć, aby wykryć te czarne dziury w trakcie łączenia się?

Jedną z możliwości jest śledzenie promieniowania elektromagnetycznego wytwarzanego przez gorącą plazmę, która otacza czarne dziury w miarę ich zbliżania się do siebie. Jeżeli uda nam się wykryć to promieniowanie, będziemy mogli badać supermasywne czarne dziury w miarę ich łączenia się, a także potencjalnie zidentyfikować niewielki ułamek aktywnych jąder galaktyk, które w rzeczywistości są zasilane przez układy podwójne czarnych dziur, a nie przez pojedynczą czarną dziurę – jest to populacja, która nigdy nie została ostatecznie wykryta.

Na pograniczu łączenia
Zespół kierowany przez Eduardo Gutiérreza (Argentyński Instytut Radioastronomii i Rochester Institute of Technology) wykorzystał ogólne relatywistyczne symulacje magnetohydrodynamiki promieniowania elektromagnetycznego generowanego, gdy dwie supermasywne czarne dziury zbliżają się do połączenia.

Aby przewidzieć światło emitowane przez układ, Gutiérrez i jego współpracownicy najpierw wymodelowali ruch rozgrzanej plazmy otaczającej czarne dziury. Gdy czarne dziury krążą wokół siebie, otaczająca je materia tworzy dysk, który otacza czarne dziury, a także mini dyski okrążające każdą z tych czarnych dziur. Na wewnętrznej krawędzi większego dysku powstaje gęsty obszar zwany „grudką”, okresowo dostarczając materię do mini dysków.

Następnie zespół symulował krętą ścieżkę, jaką fotony pokonywały by przez rozgrzaną plazmę i zakrzywioną czasoprzestrzeń, aby dotrzeć do obserwatora na Ziemi. Powstałe widmo składa się głównie z emisji z dysku otaczającego układ podwójny, mini dysków oraz materii łączących większy dysk z mini dyskami.

Widzieć podwójne
Gutiérrez i współautorzy pracy odkryli, że promieniowanie pochodzące od łączących się supermasywnych czarnych dziur powinno być wykrywalne, a ponadto istnieją znaczne różnice w emisji z łączących się czarnych dziur i z pojedynczej czarnej dziury. W szczególności, układ podwójny emituje mniej energii niż pojedyncza czarna dziura, a jego emisja osiąga szczyt przy niższej częstotliwości i maleje mniej gwałtownie przy częstotliwościach powyżej szczytu. W przeciwieństwie do pojedynczej czarnej dziury, emisja z układów podwójnych powinna wykazywać zachowanie półokresowe; ponieważ grudka, która dostarcza materię do mini dysków ma lekko eliptyczną orbitę, tempo akrecji – a więc i siła emisji – wzrasta, gdy grudka przechodzi najbliżej mini dysków.

Autorzy przewidują, że sygnał z układu podwójnego czarnych dziur o łącznej masie miliarda mas Słońca będzie się zmieniał z okresami ~20 i ~150 dni, podczas gdy emisja z układu podwójnego o masie miliona mas Słońca będzie się zmieniała w krótszych przedziałach czasowych. Wielokrotne obserwacje rentgenowskie powinny pozwolić na wykrycie tej zmienności, określenie, czy przyczyną emisji jest jedna czarna dziura, czy dwie, i dać nam pierwszy w historii wgląd w czarne dziury zmierzające do połączenia.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:
AAS

Vega

Na ilustracji: Astronomowie po raz pierwszy stworzyli model promieniowania elektromagnetycznego pochodzącego z dysków akrecyjnych wokół łączących się supermasywnych czarnych dziur. Ten obraz symulacji pokazuje gęstość (po lewej) i funkcję chłodzenia (po prawej) otaczającej je plazmy. Źródło: Zaadaptowano z Gutiérrez i inni, 2022.

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany.