Jednym ze sposobów powstawania czarnych dziur są supernowe, czyli śmierć masywnych gwiazd. Jednak nasza obecna wiedza na temat ewolucji gwiazd i supernowych sugeruje, że czarne dziury o masach pomiędzy 55 a 120 mas Słońca nie mogą być tworzone w następstwie supernowych. Sygnały fal grawitacyjnych pochodzące z łączących się czarnych dziur dostarczają nam obserwacyjny test tej „luki” w masach czarnych dziur.
Graniczne czarne dziury
Aby powstała czarna dziura, potrzebna jest masywna gwiazda, która przejdzie w supernową. Niestety, bardzo masywne gwiazdy eksplodują tak gwałtownie, że nie pozostawiają po sobie nic! Taki scenariusz może wystąpić w przypadku supernowej powstającej z powodu niestabilności kreacji par (tzw. pair-instability supernova), które zdarzają się w gwiazdach o masach jądra pomiędzy 40 a 135 masami Słońca. „Para” w „pair-instability” odnosi się do par elektron-pozyton powstających w wyniku oddziaływania promieni gamma z jądrami w sercu gwiazdy. W tym procesie energia jest tracona, co oznacza mniejszy opór przed kolapsem grawitacyjnym.
Gdy gwiazda zapada się dalej, mogą wydarzyć się dwie rzeczy. Jeżeli gwiazda jest wystarczająco masywna, jej jądro zapala się w eksplozji, która rozrywa gwiazdę na strzępy, nie zostawiając żadnej pozostałości. Jeżeli gwiazda jest mniej masywna, zapłon jądra powoduje, że gwiazda pulsuje i traci masę, aż opuszcza etap produkcji par i jej jądro zapada się normalnie w czarną dziurę. Najbardziej masywna czarna dziura, która może powstać w tym scenariuszu, ma masę około 55 mas Słońca, tworząc dolną granicę luki masowej czarnych dziur.
Teoretycznie możliwe jest, że po drugiej stronie tej luki masowej niektóre gwiazdy zapadają się normalnie, bez wchodzenia w stan produkcji par, przekształcając się w czarne dziury o masach większych niż 120 mas Słońca. Wyjątkowość tych masywnych gwiazd polega na tym, że mają one niską metaliczność, nie zawierają praktycznie żadnych pierwiastków cięższych od helu.
Wniosek jest więc taki, że raczej nie zaobserwujemy żadnych czarnych dziur o masach pomiędzy 55 a 120 masy Słońca. Ale jak możemy sprawdzić to przewidywanie? Sygnały fal grawitacyjnych są jedną z opcji! Właściwości łączących się czarnych dziur są zakodowane w falach grawitacyjnych wytwarzanych podczas fuzji, w tym masy czarnych dziur. Tak więc, ostatnie badania prowadzone przez Bruce'a Edelmana (Uniwersytet w Oregonie) przyjrzały się naszemu obecnemu katalogowi sygnałów fuzji czarnych dziur, aby sprawdzić, czy luka masowa wyłoni się z danych.
Uwaga na lukę, jeżeli istnieje luka
Edelman i jego współpracownicy użyli dwóch ustalonych modelowych rozkładów mas czarnych dziur, aby podejść do tego problemu. Zmienili oni również modele tak, aby luka była wyraźnie dozwolona, i aby wyższe masy czarnych dziur mogły być badane bez sztucznego zawyżania tempa fuzji powyżej luki. Następnie Edelman i jego zespół dopasowali swoje modele do danych z 46 połączeń podwójnych czarnych dziur zaobserwowanych przez interferometry LIGO i Virgo.
Co ciekawe, istnienie tej luki jest dosyć niejednoznaczne! Jednym z czynników jest uwzględnienie zlania się czarnych dziur związanego z sygnałem GW190521, będącym prawdopodobnie fuzją o dużej masie, której składowe czarne dziury znajdowały się na granicy luki masowej. Jeżeli luka nie istnieje, możliwe jest, że nieoczekiwane czarne dziury powstały w wyniku połączenia się mniejszych czarnych dziur. Ogólnie, wyniki te wskazują na wiele możliwości badań, jeżeli chodzi o supernowe typu pair-instability i powstawanie czarnych dziur!
Więcej informacji:
- Addressing a Gap in Our Knowledge of Black Holes
- Poking Holes: Looking for Gaps in LIGO/Virgo's Black Hole Population
Źródło: AAS
Opracowanie: Agnieszka Nowak
Na ilustracji: Symulowany obraz łączących się czarnych dziur. Źródło: SXS Lensing
