Dzięki przyszłym kosmicznym detektorom fal grawitacyjnych możliwe będzie rozróżnienie obecności dysków gazu, ciemnej materii i nowych lekkich cząstek wokół czarnych dziur.
Badacze z grupy Gianfranco Bertone na Uniwersytecie w Amsterdamie prowadzą badania dotyczące wykrywania fal grawitacyjnych generowanych przez łączące się czarne dziury. To umożliwi nam poznanie wielu właściwości tych ekstremalnych obiektów. W ostatniej analizie, przeprowadzonej pod kierunkiem Pippy Cole i opublikowanej w Nature Astronomy 5 czerwca 2023 roku, członkowie zespołu badawczego – zarówno dawni, jak i obecni – przedstawili odkrycie, że przyszłe kosmiczne detektory fal grawitacyjnych będą w stanie odróżnić obecność dysków gazowych, ciemnej materii i nowych, lekkich cząstek wokół czarnych dziur. Te nowe informacje nie tylko pomogą nam lepiej zrozumieć same czarne dziury, ale także ich otoczenie.
Nowe okno na Wszechświat
Pierwsze bezpośrednie wykrycie fal grawitacyjnych w 2015 roku otworzyło nowe okno na Wszechświat, umożliwiając szczególnie obserwację łączenia się masywnych czarnych dziur. Ta młoda dziedzina badań szybko dojrzała i do tej pory zaobserwowano dziesiątki połączeń czarnych dziur. Obecne obserwacje ograniczają się do późnych stadiów zapadania się – często trwających kilka sekund – gdy emitowane fale grawitacyjne są niezwykle silne. Na szczęście powstaje kilka nowych eksperymentów, które umożliwią naukowcom obserwację par czarnych dziur przez znacznie dłuższy czas przed połączeniem, potencjalnie nawet przez lata.
Gdy tylko napłyną te znacznie bardziej precyzyjne pomiary, naukowcy pragną być gotowi i zdolni do ich interpretacji. Dr hab. Pippa Cole, badaczka w zespole Gianfranco Bertone i pierwsza autorka nowej publikacji, tłumaczy: Dzięki obecnym pomiarom możemy odkryć kilka faktów na temat łączących się czarnych dziur, ale dowiadujemy się bardzo niewiele o środowisku, w którym dochodzi do fuzji. Samo to środowisko jest niezwykle interesujące. Na przykład, może ono rzucić światło na jedną z obecnych tajemnic astrofizyki – ciemną materię. Gdy będziemy mogli skorzystać z przyszłych detektorów, takich jak LISA, aby przez dłuższy czas obserwować łączące się czarne dziury, będziemy w stanie sformułować istotne stwierdzenia dotyczące ich otoczenia.
Środowiska czarnych dziur
Istnieją co najmniej trzy różne rodzaje interesujących środowisk, które mogą otaczać czarne dziury. Jednym z najbardziej znanych z nich jest dysk akrecyjny. Dysk akrecyjny to obszar składający się z bardzo gorącego gazu, który wiruje wokół czarnej dziury. Ostatnio, Teleskop Horyzontu Zdarzeń dostarczył nam zobrazowań takich dysków wokół czarnych dziur. Oprócz dysku akrecyjnego istnieją również inne możliwości badania czarnych dziur.
Czarna dziura może być otoczona obłokiem ultralekkich cząstek, tworząc strukturę, którą astronomowie nazwali atomem grawitacyjnym. Dodatkowo, istnieje możliwość istnienia ciemnej materii, która zdaje się przenikać przez kosmos na wszystkich skalach, jednak jej podstawowa natura pozostaje nieznana. Przewiduje się, że ciemna materia będzie się gromadzić wokół czarnych dziur w trakcie ich formowania i wzrostu, tworząc gęste konfiguracje znane jako kolce.
Cole: Piękną rzeczą jest to, że dzięki nowym obserwacjom możliwe będzie rozróżnienie wszystkich trzech sytuacji – a także odróżnienie ich od przypadku, w którym podwórko czarnej dziury jest po prostu puste, gdzie dwie czarne dziury wirują wokół siebie w próżni. Udało nam się opracować techniki statystyczne, które przy wystarczającej dużej różnicy mas między dwiema czarnymi dziurami powinny być w stanie bardzo wyraźnie rozróżnić wszystkie cztery scenariusze.
Według Cole i jej zespołu badawczego, przyszła generacja eksperymentów będzie zdolna do wykrywania fal grawitacyjnych generowanych przez łączące się czarne dziury w obecności różnych środowisk, takich jak dysk akrecyjny, atom grawitacyjny czy kolec ciemnej materii. Ta perspektywa otwiera nowe możliwości badania ultralekkich cząstek oraz potencjalnych kandydatów na ciemną materię za pomocą fal grawitacyjnych.
Bertone: To ekscytujące czasy. Wkrótce wkroczymy w nową erę w fizyce i astronomii. Tak jak precyzyjna fizyka cząstek elementarnych pozwala nam poszukiwać nowej fizyki w akceleratorach cząstek na Ziemi, tak precyzyjna astronomia fal grawitacyjnych wkrótce pozwoli nam poszukiwać ciemnej materii i nowych cząstek we Wszechświecie.
Więcej informacji:
- Disks, spikes and clouds
- Distinguishing environmental effects on binary black hole gravitational waveforms
Źródło: UVA
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Na ilustracji: Wizja artystyczna kosmicznego eksperymentu LISA wykrywającego fale grawitacyjne. Źródło: NASA
