Przejdź do treści

Pierwsza prawdopodobna detekcja błysku światła po zderzeniu czarnych dziur

Wizja artystyczna supermasywnej czarnej dziury J1249+3449 (... w oddali) o masie rzędu 100 mln Mʘ otoczonej przez dysk akrecyjny. Na skraju tego dysku w odległości ~ 700 j.a. widzimy dwie znacznie mniejsze czarne dziury o sumarycznej masie ~100 Mʘ, orbitujące wokół wspólnego środka masy na chwilę przed ich koalescencją (połączeniem się), które zostało oznaczone w literaturze naukowej symbolem S190521g. Źródło: R Hurt (IPAC)/Caltech.

W ub. tygodniu astronomowie ogłosili detekcję teoriopoznawczego cudu – niewidzialne zderzenie niewidzialnych obiektów (czarnych dziur) na chwilę stało się widzialne. Gdy czarne dziury zderzają się, powstają fale grawitacyjne, które mogą zostać zarejestrowane przez teleskopy grawitacyjne na Ziemi. Dotychczas podczas tego zjawiska nie zaobserwowano „błysku światła”, czyli promieniowania elektromagnetycznego. Jednak astronomowie uważają, że po raz pierwszy zaobserwowali pojaśnienie towarzyszące połączeniu się czarnych dziur 21 maja 2019 r.

21 maja 2019 r. w systemie alertów LIGO (ang. Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) pojawił się wpis nr S190521g kandydata na detekcję fal grawitacyjnych w wyniku zderzenia i połączenia się czarnych dziur. Sygnał został zarejestrowany przez wszystkie działające interferometry grawitacyjne LIGO Livingston, LIGO Hanford i europejskie Virgo i zlokalizowany w całkiem małym obszarze (~2% powierzchni nieba z prawdopodobieństwem ~97%). Wydawało się, że pochodzi zarówno od bardzo masywnego źródła (ogółem ~150 Mʘ), jak i jest bardzo odległy (~10-15 miliardów lat świetlnych) w porównaniu do typowych zderzeń czarnych dziur, które obserwowaliśmy do tej pory.

Kilka miesięcy później M. J. Graham ze współpracownikami znalazł pojaśnienie w zakresie optycznym ZTF19abanrhr, porównując alerty LIGO z obserwacjami ZTF (Zwicky Transient Facility), które jest zgodne zarówno co do czasu, jak i położenia z tym, co zarejestrowały detektory fal grawitacyjnych LIGO-Virgo jako S190521g. Warto wspomnieć, że przegląd obserwacyjny ZTF fotografuje w ciągu trzech dni całe niebo widoczne w Obserwatorium Mt Palomar w Kalifornii na zdjęciach o polu widzenia ~ 7º x 7º w filtrze zielonym „g” i czerwonym „r”. Celem projektu jest detekcja wszelkich zmienności obiektów jaśniejszych od ~20,5 mag.

Najbardziej niezwykłe okazało się to, że w tym ~2% obszarze nieba znajduje się całkiem spektakularne źródło tej chwilowej emisji światła oznaczone jako AGN J124942.3+344929 (w skrócie J1249+3449). Skrót AGN pochodzi z j. angielskiego „active galactic nucleus” i oznacza aktywne jądra galaktyk. Oszacowano w oparciu o profile linii widmowej wodoru, że w centrum tej galaktyki rezyduje supermasywna czarna dziura, czyli kwazar o masie około 100 mln Mʘ otoczony dyskiem akrecyjnym.

Analiza krzywej blasku J1249+3449 wykazała, że przez ponad 15 miesięcy przed zaobserwowaniem S190521g jasność zmieniała się zaledwie o kilka procent względem średniej wartości ~19,1 mag (filtr zielony „g” ZTF). Pojaśnienie w zakresie optycznym rozpoczęło się ~34 dnia od zaobserwowania zjawiska zderzenia czarnych dziur i jasność wzrosła maksymalnie o ~0,3 mag w ~50 dniu.

Obserwowane z Ziemi zjawisko trwało ~40 dni (układ odniesienia obserwatora), ale tylko ~28 dni w układzie odniesienia związanym z J1249+3449 (układ własny obiektu). Wynika to z faktu, iż J1249+3449 wykazuje kosmologiczne przesunięciu ku czerwieni z=0,438 i oddala się od nas z prędkością wynoszącą prawie połowę prędkości światła. Korzystając z wyznaczonego obserwacyjne przesunięcia ku czerwieni do tej galaktyki dla aktualnego modelu Wszechświata, można policzyć za pomocą kalkulatorów kosmologicznych (np. kalkulator Neda Wright'a) jedną z miar odległości do J1249+3449, które są „poważane” przez kosmologów – np. odległość jasnościową (ang. luminosity distance) ~ 8 miliardów lat świetlnych.

M.J.Graham ze współpracownikami odrzucili hipotezy, że pojaśnienie ZTF19abanrhr jest spowodowane przez zjawisko soczewkowania grawitacyjnego, pływowe rozerwanie obiektu (np. gwiazdy ciągu głównego, białego karła), gdyby za bardzo zbliżyła się do supermasywnej czarnej dziury lub wybuch supernowej (energia wybuchu porównywalna, ale niezgodność skali czasowej i brak zmiany koloru w filtrach ZTF „g” i „r”). 
Wyjaśnili oni to zjawisko zderzeniem i połączeniem się dwóch czarnych dziur w bogatym w materię centralnym obszarze galaktyki J1249+3449, gdzie aktualnie supermasywna czarna dziura „pożera" (... akreuje) materię z otaczającego ją dysku.

Autorzy publikacji przyjęli prawdopodobny model, w którym czarna dziura o masie ~100 Mʘ powstała w dn. 21 maja 2019 r. i została odrzucona z prędkością kilkuset km/sek pod kątem ~60° względem płaszczyzny dysku supermasywnej czarnej dziury. Środek masy czarnej dziury doznał odrzutu, ponieważ podczas połączenia się czarnych dziur o nierównych masach następuje odprowadzenie z układu oprócz masy-energii również części pędu poprzez emisję fal grawitacyjnych. Następnie przez kilkadziesiąt dni czarna dziura poruszała się w gęstym i nieprzeźroczystym ośrodku dysku akrecyjnego (przyjęto wysokość dysku akrecyjnego  ~1/100 promienia, czyli ~ 7 j.a.). Jak już wspomniałem ,sygnał świetlny został zaobserwowany na Ziemi 34 dni po detekcji S190521g, gdy czarna dziura wydostała się z nieprzeźroczystej części dysku supermasywnej czarnej dziury z prędkością ~200 km/sek (prędkość kilka razy większa niż prędkość dźwięku w tym ośrodku). Głównym źródłem fotonów ZTF19abanrhr był gaz rozgrzewany przez czarną dziurę poruszającą się w gęstym ośrodku z prędkością naddźwiękową – podobnie jak kula po wystrzale w powietrzu.

Jest to pierwszy i jedyny znany do tej pory prawdopodobny przykład połączenia się czarnych dziur, który posiada swój optyczny odpowiednik. Z następujących powodów jest to jedno z najsilniejszych pojaśnień w zakresie optycznym, które mogą wygenerować czarne dziury po koalescencji:
    • duże masy zderzających się czarnych dziur (razem ~ 100 -150 Mʘ),
    • względnie mała prędkość odrzutu czarnej dziury po koalescencji (~200 km/sek),
    • duża gęstość ośrodka, w którym porusza się czarna dziura (~10-10 g/cm3).

Obserwacje będą jeszcze sprawdzane przez naukowców. Na razie zjawisko S190521g posiada status „kandydata” na detekcję fal grawitacyjnych. Szkoda, że nie udało się zarejestrować widma w czasie trwania zjawiska – co mogłoby stanowić dodatkowy argument weryfikujący hipotezę. Na szczęście ta hipoteza zakłada powtórkę. Proces połączenia się czarnych dziur zaobserwowany jako S190521g spowodował odrzut tego obiektu, który za kilka lat ponownie przejdzie przez dysk supermasywnej czarnej dziury, wywołując podobne pojaśnienie w zakresie optycznym.

Początkowe wielkie nadzieje i entuzjazm, że koalescencja czarnych dziur może wyzwalać sygnał świetlny opadły w ostatnich latach, gdy dla kolejnych detekcji fal grawitacyjnych pochodzących od czarnych dziur nie znaleziono ani razu ich elektromagnetycznych odpowiedników.

Obserwacja S190521g i jej optycznego odpowiednika ZTF19abanrhr ponownie wzbudziła entuzjazm. Być może łączące się czarne dziury potrzebują tylko odpowiednich okoliczności by rozbłysnąć fotonami ?
Przyszłe obserwacje ostatecznie wyjaśnią związek pomiędzy zderzeniami czarnymi dziurami i emisją promieniowania elektromagnetycznego.

Całkiem dosłownie można więc stwierdzić, że przyszłość obserwacji zderzeń czarnych dziur jeszcze nigdy nie wydawała się taka świetlana.


Opracowanie: Ryszard Biernikowicz


Więcej informacji:

 

Black Hole Collision May Have Exploded with Light

Two Colliding Black Holes, a Flash of Light, and a New Cosmic Mystery

Publikacja naukowa: Candidate Electromagnetic Counterpart to the Binary Black Hole Merger Gravitational-Wave Event S190521g

Publikacja naukowa - wersja darmowa w archiwum preprintów naukowych arXiv: Candidate Electromagnetic Counterpart to the Binary Black Hole Merger Gravitational-Wave Event S190521g

 

Źródło: Caltech


Na ilustracji: wizja artystyczna supermasywnej czarnej dziury J1249+3449 (... w oddali) o masie rzędu 100 mln Mʘ (wielkość horyzontu zdarzeń ~ średnica orbity ziemskiej ~ 2 j.a.) otoczonej przez dysk akrecyjny. Na skraju tego dysku w odległości ~ 700 j.a. widzimy dwie znacznie mniejsze czarne dziury orbitujące wokół wspólnego środka masy na chwilę przed ich koalescencją (połączeniem się), które zostało oznaczone w literaturze naukowej symbolem S190521g (wynik obserwacji interferometrami grawitacyjnymi LIGO-Virgo). M.J.Graham ze współpracownikami  oszacował całkowitą masę tych czarnych dziur na ~100 Mʘ (wielkość horyzontu zdarzeń takiej czarnej dziury ~ 300 km). Astronomowie zaobserwowali pojaśnienie ZTF19abanrhr o ~0,3 mag trwające przez kilkadziesiąt dni, które najprawdopodobniej jest związane z S190521g. Astronomowie z LIGO-Virgo na razie nie potwierdzili związku pomiędzy tymi zjawiskami. S190521g posiada status "kandydata" na detekcję fal grawitacyjnych. Źródło: R Hurt (IPAC)/Caltech.