Liczba łączących się czarnych dziur wykrywanych przez detektory fal grawitacyjnych LIGO-Virgo nadal rośnie. Najnowsza publikacja danych daje łącznie prawie 50 kolizji! Ale w jaki sposób te układy podwójne z czarną dziurą w ogóle powstają?
Dwa kanały formowania się
Zanim dwie czarne dziury zderzą się i wyemitują fale grawitacyjne, muszą najpierw zostać połączone w okrążającą się nawzajem parę.
Istnieją dwie wiodące teorie na temat tego, jak takie pary czarnych dziur mogą powstawać w naszym Wszechświecie. W ewolucji odosobnionego układu podwójnego dwie masywne gwiazdy w gwiazdowym układzie podwójnym niezależnie ewoluują w czarne dziury. Podczas dynamicznych spotkań pojedyncze czarne dziury łączą się w pary w układy podwójne poprzez oddziaływanie grawitacyjne w centrum gęstej, zatłoczonej gromady gwiazd.
Dwie wskazówki obserwacyjne
Jak możemy określić, który kanał formowania się wytworzył układ podwójny czarnych dziur, tych do tej pory wykrytych? W szczególności dwie sygnatury obserwacyjne mogą wskazywać na dynamiczne połączenie:
1. Niewspółosiowość wirowania
Ze względu na zachowanie momentu pędu oczekujemy, że czarne dziury w izolowanym układzie podwójnym będą miały wyrównane spiny. Z drugiej strony czarne dziury, które łączą się w pary poprzez dynamiczne spotkania, mogą mieć losowe, niewyrównane orbity.
2. Ekscentryczność orbity
Jeżeli układ podwójny ewoluuje w izolacji, wszelkie początkowe mimośrody są tłumione na długo przed połączeniem się czarnych dziur. Jednak w dynamicznym scenariuszu, nagle utworzone układy podwójne mogą się połączyć, zanim ich orbity staną się cykliczne.
Zdecydowana większość wykrytych do tej pory połączeń wiązała się z sygnałami fal grawitacyjnych zgodnymi z układami podwójnymi o małej masie, wyrównanym spinem i kołowymi orbitami – co uniemożliwia nam rozróżnienie między dwoma kanałami formowania się. Jedno zdarzenie połączenia się dwóch czarnych dziur jest szczególnie obiecującym kandydatem do dalszych badań: GW190521.
Jedna intrygująca kolizja
Zdarzenie GW190521 ustanowiło rekordy jako waga ciężka: łączące się składniki miały ~85 i ~66 mas Słońca. Te niezwykle duże czarne dziury już wskazują na dynamiczną formację układu podwójnego: łatwiej jest wyjaśnić czarne dziury o tej masie, jeżeli rosły one w wyniku kolejnych fuzji w gęstym środowisku gwiazdowym.
Teraz zespół naukowców pod kierownictwem Isobel Romero-Shaw (Uniwersytet Monash i OzGrav, Australia) podąża za tą wskazówką i modeluje sygnał GW190521 z różnymi przebiegami, aby zbadać ekscentryczność układu podwójnego i wyrównanie spinu.
Romero-Shaw i jej współpracownicy pokazują, że obecnie nie jesteśmy w stanie rozróżnić dwóch modeli: jednego z niezerową ekscentrycznością i wyrównanymi spinami, a drugiego z orbitą kołową ale z niewyrównanymi spinami. Oba modele są jednak bardzo preferowane w stosunku do modeli z kołowymi orbitami i wyrównanymi spinami – co oznacza, że dla GW190521 prawdopodobnie zostanie utworzony kanał dynamicznej formacji.
Być może wkrótce, dzięki detektorom LIGO-Virgo gromadzącym detekcje, będziemy w stanie zbudować statystyczny obraz tego, jak powstały układy podwójne z czarnymi dziurami. W międzyczasie dokładne modelowanie poszczególnych zderzeń, takich jak GW190521, dostarczy nam cennych informacji.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
Eccentricity, Spin, and the Origins of Colliding Black Holes
Źródło: AAS
Na ilustracji: Wizja artystyczna przedstawiająca zderzenie się dwóch czarnych dziur o niewyrównanych orbitach. Aurore Simonnet/Sonoma State/Caltech/MIT/LIGO
