Pierwsze w historii wykrycie połączenia się dwóch monstrualnych czarnych dziur

Połączenie się układu podwójnego czarnych dziur wytworzyło prawdopodobnie najmasywniejszą czarną dziurę wykrytą przy pomocy fal grawitacyjnych.

Mimo całej swojej ogromnej pustki Wszechświat brzęczy od aktywności w postaci fal grawitacyjnych. Wytwarzane przez ekstremalne zjawiska astrofizyczne, te pogłosy rozchodzą się i wstrząsają czasoprzestrzenią, jak brzęk kosmicznego dzwonu.

Teraz naukowcy wykryli sygnał z połączenia prawdopodobnie najbardziej masywnych czarnych dziur, jakie dotychczas zaobserwowano na falach grawitacyjnych. Produktem połączenia jest pierwsze wyraźne wykrycie czarnej dziury o masie pośredniej, która mieści się w przedziale między 100 a 1000 mas Słońca.

Sygnał, który został oznaczony jako GW190521, został wykryty 21 maja 2019 roku za pomocą LIGO, pary identycznych 4-kilometrowych interferometrów w USA; oraz Virgo, 3-kilometrowego detektora we Włoszech.

Sygnał ten jest niezwykle krótki, trwa mniej niż 1/10 sekundy. Z tego, co naukowcy obserwują wynika, że GW190521 został wygenerowany przez źródło oddalone o około 5 gigaperseków, gdy Wszechświat miał około połowy obecnego wieku, co czyni go jednym z najbardziej odległych wykrytych dotychczas źródeł fal grawitacyjnych.

W oparciu o potężny zestaw najnowocześniejszych narzędzi obliczeniowych i modelujących, naukowcy uważają, że sygnał GW190521 został najprawdopodobniej wygenerowany przez połączenie się układu podwójnego czarnych dziur o niezwykłych właściwościach.

Prawie każdy dotychczas potwierdzony sygnał fal grawitacyjnych pochodzi z połączenia się dwóch czarnych dziur lub dwóch gwiazd neutronowych. Ta najnowsza kolizja wydaje się być jak dotąd najbardziej masywna i obejmuje dwie imponujące czarne dziury o masach około 85 i 66 mas Słońca.

Nowy sygnał prawdopodobnie przedstawia moment, w którym dwie czarne dziury się połączyły. Fuzja stworzyła jeszcze bardziej masywną czarną dziurę, o masie około 142 mas Słońca i uwolniła ogromną ilość energii, odpowiadającą około 8 masom Słońca, rozprzestrzenioną po całym Wszechświecie w postaci fal grawitacyjnych.

Wyjątkowo duże masy dwóch imponujących czarnych dziur, a także powstałej z ich połączenia czarnej dziury, rodzą mnóstwo pytań dotyczących ich powstawania.

Wszystkie zaobserwowane do tej pory czarne dziury mieszczą się w jednej z dwóch kategorii: czarne dziury o masach gwiazdowych, które mają od kilku do dziesiątek mas Słońca i uważa się, że powstają, gdy umierają masywne gwiazdy; lub supermasywne czarne dziury, takie jak ta w centrum galaktyki Drogi Mlecznej, które są od setek tysięcy do miliardów razy masywniejsze niż nasze Słońce.

Jednak ostatnio wykryta czarna dziura o masie 142 Słońc, powstała w wyniku połączenia GW190521, znajduje się w pośrednim zakresie mas między czarnymi dziurami o masie gwiazdowej a supermasywnymi czarnymi dziurami – jest to pierwsza tego rodzaju czarna dziura, jaką kiedykolwiek wykryto.

Dwie czarne dziury, które utworzyły tę wspomnianą, również wydają się być wyjątkowe pod względem wielkości. Są tak masywne, że naukowcy podejrzewają, że jedna z nich lub obie mogły nie powstać z zapadającej się gwiazdy, jak to ma miejsce w przypadku czarnych dziur o masach gwiazdowych.

Zgodnie z fizyką ewolucji gwiazd, zewnętrzne ciśnienie fotonów i gazu w jądrze gwiazdy wspiera ją przeciwko sile grawitacji pchającej do wewnątrz, dzięki czemu gwiazda jest stabilna, podobnie jak Słońce. Po tym, jak serce masywnej gwiazdy spali jądra tak ciężkie jak żelazo, nie jest już w stanie wytworzyć wystarczającego ciśnienia, aby utrzymać warstwy zewnętrzne. Kiedy ciśnienie zewnętrzne jest mniejsze od grawitacji, gwiazda zapada się pod własnym ciężarem, w eksplozji zwanej supernową z zapadającym się jądrem, która może pozostawić po sobie czarną dziurę.

Proces ten może wyjaśnić, w jaki sposób gwiazdy o masie 130 mas Słońca mogą wytwarzać czarne dziury o masach do 65 mas Słońca. Uważa się, że w przypadku ciężkich gwiazd pojawia się zjawisko znane jako „niestabilność pary”. Kiedy fotony w jądrze stają się niezwykle energetyczne, mogą przekształcić się w parę elektron i antyelektron. Te pary wytwarzają mniejsze ciśnienie niż fotony, powodując, że gwiazda staje się niestabilna w obliczu zapaści grawitacyjnej, a wynikająca z tego eksplozja jest wystarczająco silna, aby nie pozostawić po niej nic. Jeszcze masywniejsze gwiazdy, powyżej 200 Słońc, ostatecznie zapadłyby się bezpośrednio w czarną dziurę o masie co najmniej 120 mas Słońca. Zapadająca się gwiazda nie powinna być zatem w stanie wytworzyć czarnej dziury o masach od około 65 do 120 mas Słońca – zakres ten jest znany jako „luka masy niestabilności pary”.

Ale teraz cięższa z dwóch czarnych dziur, które wytworzyły sygnał GW190521, mająca 85 mas Słońca, jest pierwszą jak dotąd wykrytą w obrębie tej luki.

Jedną z możliwości, którą badacze rozważają, jest połączenie hierarchiczne, w którym dwie czarne dziury same mogły powstać w wyniku połączenia się dwóch mniejszych czarnych dziur, zanim migrowały razem i ostatecznie się połączyły.

Pozostaje jeszcze wiele pytań dotyczących GW190521.

Gdy detektory LIGO i Virgo nasłuchują fal grawitacyjnych przechodzących przez Ziemię, automatyczne wyszukiwania przeczesują przychodzące dane w poszukiwaniu interesujących sygnałów. Te wyszukiwania mogą wykorzystywać dwie różne metody: algorytmy wybierające określone wzorce fal w danych, które mogły zostać wytworzone przez zwarte układy podwójne; i bardziej ogólne wyszukiwania typu „rozbłysk”, które zasadniczo szukają czegoś niezwykłego.

W przypadku GW190521 było to wyszukiwanie seryjne, które odebrało sygnał nieco wyraźniej, dając bardzo małą szansę, że fale grawitacyjne powstały z czegoś innego niż połączenie układu podwójnego.

Ale co, jeżeli coś zupełnie nowego wytworzyło te fale grawitacyjne? To kusząca perspektywa, a w swoim artykule naukowcy krótko rozważają inne źródła we Wszechświecie, które mogły wytworzyć wykryty przez nich sygnał. Być może, na przykład, fale grawitacyjne zostały wyemitowane przez zapadającą się gwiazdę w naszej galaktyce. Sygnał może również pochodzić ze struny kosmicznej powstałej w najwcześniejszych momentach istnienia Wszechświata – chociaż żadna z tych egzotycznych możliwości nie pasuje do danych ani do połączenia się układu podwójnego.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:
MIT

Vega

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *