Czarne dziury mogą generować sygnały widziane przez detektory fal grawitacyjnych

Kiedy kształt orbity podwójnej czarnej dziury jest wydłużony, ich sygnał fal grawitacyjnych ma charakterystyczne modulacje, które można badać w poszukiwaniu wskazówek, gdzie te dwa obiekty się ze sobą spotkały.

Od 2015 roku w ramach współpracy LIGO-Virgo-KAGRA wykryto około 85 par zderzających się ze sobą czarnych dziur. Teraz wiemy, że Einstein miał rację: fale grawitacyjne są generowane przez te układy, gdy dwie czarne dziury wzajemnie okrążają się po spirali, zniekształcając czasoprzestrzeń swoimi kolosalnymi masami. Wiemy również, że te kosmiczne kolizje zdarzają się często: wraz ze wzrostem czułości detektora spodziewamy się wykrywać te zdarzenia prawie codziennie w następnym cyklu obserwacyjnym, który rozpocznie się w 2023 roku. Nie wiemy – jeszcze – co powoduje te zderzenia.

Czarne dziury powstają, gdy umierają masywne gwiazdy. Zazwyczaj ta śmierć jest gwałtownym, ekstremalnym wybuchem energii, który zniszczyłby lub odepchnął pobliskie obiekty. Z tego powodu trudno jest utworzyć dwie czarne dziury, które byłyby wystarczająco blisko siebie, aby połączyć się w ramach wieku Wszechświata. Jednym ze sposobów, aby doprowadzić do ich połączenia, jest umieszczenie ich razem w gęsto zaludnionym środowisku, takim jak centra gromad gwiazd.

W gromadach gwiazd czarne dziury, które początkowo były od siebie oddalone, mogą zostać zepchnięte do siebie dzięki dwóm mechanizmom. Po pierwsze, następuje segregacja masy, która prowadzi do tego, że najmasywniejsze obiekty zapadają się w kierunku środka grawitacyjnej studni potencjału. Oznacza to, że wszelkie czarne dziury rozproszone w gromadzie powinny znaleźć się w środku, tworząc niewidzialne „ciemne jądro”. Po drugie, istnieją oddziaływania dynamiczne. Jeżeli dwie czarne dziury połączą się w parę w gromadzie, to na ich oddziaływania może wpływać grawitacyjne oddziaływanie pobliskich obiektów. Wpływy te mogą usuwać energię orbitalną z układu podwójnego i spychać je bliżej siebie.

Segregacja masy i oddziaływania dynamiczne, które mogą mieć miejsce w gromadach gwiazd, mogą pozostawić swoje odciski palców na właściwościach łączących się układów podwójnych. Jedną z kluczowych właściwości jest kształt orbity układu podwójnego tuż przed jego połączeniem. Ponieważ łączenie się czarnych dziur w gromadach gwiazd może zachodzić bardzo szybko, kształty orbit mogą być dosyć wydłużone – mniej przypominają spokojny, stateczny okrąg, który Ziemia zatacza wokół Słońca, a bardziej spłaszczoną elipsę, po której kometa Halleya porusza się podczas swoich wizyt w Układzie Słonecznym. Kiedy dwie czarne dziury znajdują się na tak wydłużonej orbicie, ich sygnał fal grawitacyjnych ma charakterystyczne modulacje, które można je badać w poszukiwaniu wskazówek, gdzie te dwa obiekty się spotkały.

Zespół naukowców i absolwentów OzGrav pracuje wspólnie nad badaniem kształtów orbit podwójnych czarnych dziur. Grupa, kierowana przez dr Isobel Romero-Shaw (dawniej z Monash University, obecnie na University of Cambridge) wraz z profesorami Paulem Lasky i Erickiem Thrane z Monash University, odkryła, że niektóre z układów podwójnych obserwowanych przez LIGO-Virgo-KAGRA rzeczywiście mogą mieć wydłużone orbity, co wskazuje, że mogły się zderzyć w gęsto zaludnionej gromadzie gwiazd. Ich ustalenia wskazują, że duża część obserwowanych zdarzeń podwójnych czarnych dziur – co najmniej 35% z nich – mogła powstać w gromadach gwiazd.

Lubię myśleć o podwójnych czarnych dziurach jak o partnerach w tańcu – mówi dr Romero-Shaw. Kiedy dwie czarne dziury ewoluują razem w izolacji, są jak para wykonująca powolnego walca sama w sali balowej. Jest to bardzo kontrolowane i ostrożne; piękne, ale nic niespodziewanego. Kontrastem do tego jest karnawałowa atmosfera wewnątrz gromady gwiazd, gdzie może się zdarzyć wiele różnych tańców odbywających się jednocześnie; duże i małe grupy taneczne, freestyle i wiele niespodzianek!. Chociaż wyniki badań nie mogą nam powiedzieć – jeszcze – dokładnie, gdzie obserwowane podwójne czarne dziury się łączą, sugerują, że „karnawały” czarnych dziur w centrach gromad mogą być ważnym wkładem.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:
OzGrav

Vega

Na ilustracji: Wizja artystyczna zbioru czarnych dziur w jądrze gromady galaktyk. Źródło: ESA/Hubble, N. Bartmann.