Połączenie najmasywniejszych czarnych dziur w historii

Konsorcjum LIGO-Virgo-KAGRA (LVK) ogłosiło detekcję połączenia się najbardziej masywnych czarnych dziur, jakie kiedykolwiek zaobserwowano za pomocą fal grawitacyjnych, dokonane przez obserwatoria LIGO znajdujące się w Hanford i Livingston. Zjawisko podważa nasze obecne modele mergerów i stanowi dla naukowców duże wyzwanie.

Sygnał grawitacyjny oznaczony GW231123 zaobserwowano 23 listopada 2023 roku podczas czwartej kampanii obserwacyjnej globalnej sieci detektorów LIGO-Virgo-KAGRA. Dwie łączące się czarne dziury miały masę odpowiednio 100 i 140 razy większą niż masa Słońca. Oprócz dużej masy charakteryzowała je też bardzo szybka rotacja, co sprawiło, że wyemitowany przez zlewający się układ sygnał nie tylko był wyjątkowo trudny do interpretacji, ale także sugeruje możliwość złożonej historii formowania się tego układu. Połączenie doprowadziło do powstania czarnej dziury o masie około 240 razy większej od masy Słońca.

Odkrycie tak masywnego i szybko wirującego układu to wyzwanie nie tylko dla technik analizy danych. Będzie też miało znaczny wpływ na badania teoretyczne – zarówno z zakresu scenariuszy formowania się czarnych dziur, jak i modelowania samych fal grawitacyjnych. Obecne modele ewolucji gwiazd nie dopuszczają na przykład możliwości istnienia tak masywnych czarnych dziur, zatem mogły one powstać raczej w wyniku wcześniejszych, licznych połączeń mniejszych czarnych dziur.

Do tej pory Konsorcjum LVK opublikowało wyniki detekcji fal grawitacyjnych z około 100 koalescencji czarnych dziur. Układem podwójnym o największej masie było dotąd źródło sygnału GW190521, o masie całkowitej, „zaledwie” 140 razy większej od masy Słońca. Teraz jednak bardzo duże masy w połączeniu z ekstremalnie szybkim obrotem czarnych dziur w układzie GW231123 przesuwają granice zarówno technologii detekcji fal grawitacyjnych, jak i obecnych modeli teoretycznych, przy czym już samo wydobycie dokładnych informacji z wykrytego sygnału wymagało zastosowania modeli uwzględniających złożoną dynamikę szybko rotujących czarnych dziur.

Współczesne detektory fal grawitacyjnych, czyli LIGO w Stanach Zjednoczonych, Virgo we Włoszech i KAGRA w Japonii, zostały zaprojektowane do pomiaru niewielkich oscylacji czasoprzestrzeni spowodowanych gwałtownymi zdarzeniami kosmicznymi, takimi jak łączenie się czarnych dziur. Czwarta kampania obserwacyjna rozpoczęła się w maju 2023 roku, a obserwacje z jej pierwszej połowy zostaną opublikowane późnym latem tego roku.

Projekt LIGO jest finansowany przez amerykańską Narodową Fundację Nauki i zarządzany przez Caltech oraz MIT, które opracowały i zrealizowały projekt. Ponad 1600 naukowców z całego świata uczestniczy w tym projekcie za pośrednictwem współpracy LIGO Scientiﬁc Collaboration. Virgo Collaboration zrzesza około 1000 członków ze 175 instytucji w 20 różnych krajach (głównie europejskich), w tym licznych uczonych z Polski – członków zespołu Virgo-Polgraw z Uniwersytetu Warszawskiego, Uniwersytetu Jagiellońskiego, PAN, CAMK, NCBJ, ACK Cyfronet AGH, Uniwersytetu w Białymstoku i Uniwersytetu Wrocławskiego.

Listę grup tworzących Virgo Collaboration można znaleźć na tej stronie.

Infografika: Złączenie się czarnych dziur w układzie GW231123. Źródło: LIGO Scientific Collaboration.