Naukowcy odkryli, że amplituda tła fal grawitacyjnych wytwarzanego przez zderzające się supermasywne czarne dziury jest większa, niż przewidywały modele teoretyczne. Rozwiązaniem może być zjawisko preferencyjnej akrecji na mniejszych czarnych dziurach.
Tajemnica wzmacnianego sygnału
W 2023 roku astronomowie potwierdzili istnienie tła fal grawitacyjnych — stałego, niskoamplitudowego szumu powstającego ze zderzających się supermasywnych czarnych dziur rozsianych po Wszechświecie. Amplituda tego tła jest jednak większa niż przewidywana dla znanej populacji takich układów. Chociaż niektórzy badacze sugerowali nową fizykę jako wyjaśnienie tej rozbieżności, rozwiązanie może być znacznie prostsze. Julia Comerford i Joseph Simon z Uniwersytetu Kolorado w Boulder postanowili przeanalizować jedno z kluczowych założeń dotyczących mas zderzających się supermasywnych czarnych dziur.
Wyrafinowana akrecja
Siła sygnału fal grawitacyjnych zależy od tego, jak podobne są masy czarnych dziur – zderzenie się czarnych dziur o zbliżonych masach wytwarza znacznie silniejszy sygnał niż spotkanie tych o różnych masach. A co, jeśli – postawili pytanie Comerford i Simon – masy zderzających się czarnych dziur byłyby bardziej podobne, niż dotąd sądziliśmy?
Obserwacje i symulacje komputerowe zderzających się galaktyk zawierających supermasywne czarne dziury zdają się potwierdzać tę hipotezę. Podczas gdy tradycyjne modele zakładają, że masy pozostają stałe w trakcie zbliżania się do siebie, w rzeczywistości czarne dziury napotykają na materię wokół siebie, a ich masa wzrasta. Jeszcze ciekawsze jest to, że to właśnie mniejsza czarna dziura pochłania więcej materii – zjawisko spowodowane tym, że wnikając głębiej w układ, napotyka więcej gazu. W wyniku tego masy obu czarnych dziur stają się bardziej wyrównane niż początkowo.
Wzmocniony sygnał
Czy wzrost siły sygnału wynikający z wyrównywania się mas wystarczy, aby wyjaśnić obserwowaną amplitudę tła fal grawitacyjnych?
Badacze stworzyli model tła fal grawitacyjnych powstającego z układów podwójnych supermasywnych czarnych dziur ulegających preferencyjnej akrecji. Kalibrując model obserwacjami gdziekolwiek było to możliwe, odkryli, że zaledwie dziesięcioprocentowy wzrost całkowitej masy zderzających się czarnych dziur wystarczy, aby podnieść amplitudę tła do obserwowanej wartości. To eleganckie wyjaśnienie nie wymaga odwoływania się do spekulacyjnej nowej fizyki.
Efekt wzmocnienia sygnału z preferencyjnej akrecji może być szczególnie istotny, jeśli okres ewolucji układu podwójnego – czas potrzebny, aby czarne dziury zbliżyły się do siebie na tyle, by ich fale grawitacyjne stały się dostępne dla obserwacji pulsarów – trwał dłużej niż dotychczasowe oszacowanie (1,8 miliarda lat). Przy dłuższych skalach czasowych tradycyjne modele całkowicie nie zgadzają się z obserwacjami.
Przyszłe badania skupiające się na masach i tempach wzrostu supermasywnych czarnych dziur podczas ich zbliżania się ku zderzeniom mogą dostarczyć kolejnych dowodów na znaczenie zjawiska preferencyjnej akrecji.
Opracowanie: Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
- Boosting the Gravitational Wave Background
- Preferential Accretion onto the Secondary Black Hole Strengthens Gravitational-wave Signals
Źródło: AAS
Na ilustracji: Symulacja światła z układu podwójnego supermasywnych czarnych dziur. Źródło: Centrum Lotów Kosmicznych im. Goddarda NASA/Scott Noble; dane symulacyjne, d'Ascoli i in. 2018
