Przejdź do treści

Pierwsze w historii wykrycie połączenia się dwóch monstrualnych czarnych dziur

Wizja artystyczna przedstawiająca hierarchiczny schemat łączenia się czarnych dziur.

Połączenie się układu podwójnego czarnych dziur wytworzyło prawdopodobnie najmasywniejszą czarną dziurę, którą wykryć można przy pomocy fal grawitacyjnych.

Mimo całej swojej przeogromnej pustki Wszechświat brzęczy od aktywności w postaci fal grawitacyjnych. Pogłosy te, wytwarzane przez ekstremalne zjawiska astrofizyczne, rozchodzą się i wstrząsają czasoprzestrzenią – jak brzmienie kosmicznego dzwonu.

Naukowcy wykryli sygnał z połączenia prawdopodobnie najbardziej masywnych czarnych dziur, jakie dotychczas zaobserwowano na falach grawitacyjnych. Produktem ich 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. Czyni go jednym z najbardziej odległych wykrytych dotychczas źródeł fal grawitacyjnych.

Opierając się na potężnym zestawie 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 potwierdzony do tej pory sygnał fal grawitacyjnych pochodzi z połączenia 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 najprawdopodobniej przedstawia moment, w którym dwie czarne dziury połączyły się. Fuzja stworzyła jeszcze większą czarną dziurę o masie około 142 mas Słońca i uwolniła ogromną ilość energii. Odpowiada ona około 8 masom Słońca i rozprzestrzeniona jest po całym Wszechświecie w postaci fal grawitacyjnych.

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

Zdecydowana większość zaobserwowanych do tej pory czarnych dziur mieści 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 wykryta ostatnio 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 odkryto.

Dwie czarne dziury, które utworzyły tę wcześniej wspomnianą, również wydają się być wyjątkowe pod względem wielkości. Są tak masywne, że naukowcy podejrzewają, że jedna z nich lub nawet i 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, która pcha ją do wewnątrz, dzięki czemu gwiazda jest stabilna, podobnie jak Słońce. Po tym, jak serce masywnej gwiazdy spali jej 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. To eksplozja zwana 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”.

Tym razem ta cięższa czarna dziura – powstała z dwóch, które wytworzyły sygnał GW190521  ma 85 mas Słońca i jest pierwszą do tej pory 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 zaczęły migrować razem i ostatecznie się połączyły.

Pozostaje jeszcze wiele pytań dotyczących GW190521.

Gdy detektory LIGO i Virgo nasłuchują fal grawitacyjnych przechodzących przez Ziemię, automatyczne wyszukiwania sprawdzają 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 na to, że fale grawitacyjne powstały z czegoś innego niż przez połączenie układu podwójnego.

Co w sytuacji, 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.

W pracach międzynarodowego konsorcjum Virgo-LIGO, które ogłosiło to odkrycie, bierze udział 16 naukowców z Polski, pracujących w zespole Virgo-Polgraw.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Więcej informacji:
A “bang” in LIGO and Virgo detectors signals most massive gravitational-wave source yet

Properties and Astrophysical Implications of the 150 M ⊙ Binary Black Hole Merger GW190521

GW190521: odkrycie nowych i niezwykłych populacji czarnych dziur

GW190521: Koalescencja Rekordowo Masywnych Czarnych Dziur

Naukowcy z UW w zespole odkrywców nowej populacji czarnych dziur

Virgo i LIGO odkrywają nową i niezwykłą populację czarnych dziur

Źródło: MIT

Na ilustracji: Wizja artystyczna przedstawiająca hierarchiczny schemat łączenia się czarnych dziur. Źródło: LIGO/Caltech/MIT/R. Hurt (IPAC)