Dodano: 12 sierpień 2019r.

Gdzie rodzą się czarne dziury?

Czarne dziury należą do jednych z najbardziej zagadkowych obiektów we Wszechświecie i wciąż jest wiele kwestii, których o nich nie wiemy, chociażby jak powstają i jak ewoluują. Naukowcy opracowali nowy model, który może pomóc w ustaleniu pochodzenia układów masywnych czarnych dziur we Wszechświecie.

Gdzie rodzą się czarne dziury?

 

Naukowcy z University of Birmingham i Johns Hopkins University opracowali nowy sposób na odnajdywanie „żłobków” czarnych dziur o odpowiednich warunkach do połączenia się z innymi czarnymi dziurami.

Czarne dziury powstają po kolapsie gwiazd i prawdopodobnie w wyniku eksplozji supernowych. Masę tych ogromnie gęstych obiektów mierzy się w masach naszego Słońca (M⊙). Zazwyczaj gwiazdy tworzą czarne dziury o masach do 45 M⊙. Systemy te następnie łączą się w układy dwóch czarnych dziur krążących blisko siebie, by ostatecznie połączyć się w jeden duży obiekt. W tym procesie wytwarzane są fal grawitacyjne, które zarejestrowały detektory LIGO i Virgo.

 

Fale grawitacyjne pozwalają dostrzegać naukowcom pewne właściwości czarnych dziur, w tym szczególne ograniczenie masy: większość z tych czarnych dziur krążących wokół siebie wydaje się osiągać masę 45 razy większą od naszego Słońca. Ale nie więcej.

Zapadanie się gwiazd powoduje niestabilność, która, jak sugeruje naukowcy, uniemożliwia tworzenie się masywniejszych czarnych dziur. W nowych badaniach uczeni zaproponowali nowy model, za pomocą którego można by wyjaśnić istnienie układów podwójnych czarnych dziur o masach większych niż około 50 M⊙. Wyniki badań mają zostać opublikowane na łamach pisma „Physical Review D” - obecnie można się z nimi zapoznać w bazie preprintów – arXiv.

Uważa się, że obiekty te powstają z układów podwójnych czarnych dziur, które następnie łączą się z innymi czarnymi dziurami. Naukowcy sądzą, że te czarne dziury „następnej generacji” - złożone z połączenia się ich „rodziców” - mogą być cięższymi czarnymi dziurami obserwowanymi przez detektory fal grawitacyjnych LIGO i Virgo.

Naukowcy sugerują, że ich nowy model pozwoli na przyszłe detekcje łączenia się czarnych dziur wielu generacji, co z kolei pozwoli ustalić ich miejsce urodzenia. Badacze przedstawili również obliczenia dotyczące tego, w jakich lokalizacjach mogą powstawać takie wielopokoleniowe czarne dziury.

- Gromady gwiazd - grupy gwiazd połączone grawitacją - mogą funkcjonować jak „żłobki” dla czarnych dziur, zapewniając idealne środowisko do rozwoju kolejnych generacji czarnych dziur – powiedział Davide Gerosa z University of Birmingham. - Aby jednak dowiedzieć się, jakiego rodzaju gromady gwiazd są do tego najlepsze, najpierw musimy dowiedzieć się czegoś o warunkach fizycznych, które byłyby potrzebne – dodał.

Część rozwiązania tej zagadki może stanowić „prędkość ucieczki” gromady gwiazd, by mogła w niej powstać czarna dziura o masie przekraczającej 50 M⊙. Prędkość ucieczki to prędkość, z jaką obiekt musiałby podróżować, aby uniknąć przyciągania grawitacyjnego. Na przykład rakieta opuszczająca ziemię musi lecieć z prędkością 11 km/s, aby dostać się na orbitę.

Podczas łączenia się czarnych dziur, obiekt otrzymuje odrzut, podobnie jak odrzut broni palnej, gdy dochodzi do wystrzelenia pocisku. W podobny sposób czarne dziury emitują fale grawitacyjne. Następna generacja czarnych dziur może powstać tylko wtedy, gdy ich rodzice nie zostali „wyrzuceni” z gromady, tj. gdy prędkość ucieczki gromady jest wystarczająco duża.

Zespół wskazał, że obserwacja czarnych dziur o masie powyżej 50 M⊙ sugeruje, że gromada, w której się znajdują, ma prędkość ucieczki większą niż 50 km/s. Wymagane byłyby zatem szczególnie gęste środowiska.

- Obserwacje fal grawitacyjnych dają niespotykaną okazję do zrozumienia warunków astrofizycznych, w których powstają i ewoluują czarne dziury – wyjaśniła Emanuele Berti z Johns Hopkins University, współautorka badań.

Gdzie można znaleźć tego rodzaju gęste gromady? Wiele prognoz dla LIGO i Virgo jak dotąd koncentrowało się na gromadach kulistych - sferycznych zbiorach około miliona gwiazd na obrzeżach galaktyk. Ich prędkość ucieczki jest jednak zbyt niska. To nowe badanie wykazało, że gromady kuliste raczej nie są miejsce powstania wielopokoleniowych czarnych dziur. Astronomowie będą musieli poszukać gdzie indziej. Być może w gromadach gwiazd w centrach niektórych galaktyk - są wystarczająco gęste i mogą zapewnić warunki potrzebne do wytworzenia tych obiektów.

 

Źródło: University of Birmingham, fot. NASA/CXC/A.Hobart