Dodano: 03 wrzesień 2020r.

Najpotężniejsza kolizja czarnych dziur, jaką dotychczas wykryto

Naukowcy wykryli sygnał pochodzący z najpotężniejszego i najbardziej odległego zderzenia czarnych dziur, jakie dotychczas zaobserwowano w falach grawitacyjnych. W efekcie połączenia powstała czarna dziura o masie 142 razy większej od masy naszego Słońca, co oznacza, że jest to pierwszy bezpośredni dowód wykrycia czarnej dziury o masie pośredniej.

Najpotężniejsza kolizja czarnych dziur, jaką dotychczas wykryto

 

Naukowcy z kilku instytucji naukowych wykryli za pomocą detektorów LIGO oraz Virgo najpotężniejszą kolizję czarnych dziur, jaką do tej pory zaobserwowano. Opis badań dotyczący odkrycia ukazał się na łamach dwóch czasopism - „Astrophysical Journal Letters” oraz „Physical Review Letters”.

Czarna dziura o masie pośredniej

Odkrycie jest nie tylko najpotężniejszą fuzją czarnych dziur, ale też najbardziej odległą. Czarne dziury połączyły się, gdy Wszechświat był o połowę młodszy niż obecnie. Do kolizji doszło siedem miliardów lat temu.

Czarna dziura o masie około 85 razy większej od naszego Słońca połączyła się z drugą czarną dziurą o masie około 66 razy większej od Słońca. W efekcie powstała czarna dziura o masie około 142 mas naszego Słońca. Brakujące materia, o wartości około dziewięciu mas Słońca, została zamieniona podczas zderzenia w energię, wstrząsając Wszechświatem na tyle mocno, że LIGO i Virgo mogły wykryć kolizję.

Potwierdza to istnienie czarnych dziur o masie pośredniej, czyli o masie od 100 do 1000 razy większej od masy naszego Słońca - obiektów znacznie masywniejszych niż typowa gwiazda, ale nie tak dużych jak supermasywne czarne dziury, które zamieszkują centra galaktyk.

- Wszystko w tym odkryciu jest oszałamiające - mówi Simon Portegies Zwart, astrofizyk z Uniwersytetu w Leiden w Holandii. Ilya Mandel z Uniwersytetu Monash w Melbourne w Australii nazwał to odkrycie „cudownie nieoczekiwanym”. Z kolei Nelson Christensen, członek zespołu badawczego w Virgo dodał: ten sygnał nie wyglądał jak ćwierkanie, co zwykle wykrywamy. To bardziej przypominało huk i jest to najbardziej masywny sygnał, jaki LIGO i Virgo zarejestrowały.

Luka w masach

Na podstawie właściwości fal grawitacyjnych astrofizycy mogą oszacować rozmiary i inne cechy obiektów, które je wytworzyły. Pierwsza detekcja fal grawitacyjnych miała miejsce we wrześniu 2015 roku, choć o odkryciu poinformowano dopiero w lutym 2016 roku, ze względu na czas potrzebny do analizy danych i upewnienia się, że to faktycznie fale grawitacyjne. Te zmarszczki w strukturze czasoprzestrzeni mogą ujawniać wydarzenia, takie jak łączenie się czarnych dziur, które normalnie nie byłyby widoczne w zwykłych teleskopach.

To zrewolucjonizowało badanie czarnych dziur, dostarczając bezpośrednich dowodów na dziesiątki obiektów, których masa wahała się od kilku do około 50 mas Słońca.

Masy te są zgodne z czarnymi dziurami, które uformowały się w „konwencjonalny” sposób - kiedy bardzo dużej gwieździe skończy się paliwo i zapada się pod własnym ciężarem. Ciśnienie fotonów wewnątrz gwiazdy jest równoważone przez jej grawitację. To sprawia, że gwiazda jest stabilna. Gdy skończy się paliwo, gwiazda nie jest w stanie wytworzyć odpowiedniego ciśnienia i nie równoważy już sił grawitacyjnych. Wówczas dochodzi do kolapsu.

Ale ta teoria mówi, że kolaps gwiazd nie powinien powodować powstawania czarnych dziur o masach od około 65 do 120 mas Słońca. Dzieje się tak, ponieważ pod koniec swojego życia gwiazdy w pewnym zakresie rozmiarów stają się tak gorące w swoich centrach, że zaczynają przekształcać fotony w pary cząstek i antycząstek - zjawisko to nazywa się niestabilnością par. To wyzwala eksplozję, która rozrywa gwiazdę, całkowicie ją dezintegrując.

GW190521

Nowe zderzenie zostało wykryte 21 maja 2019 roku przez detektory LIGO w USA oraz Virgo we Włoszech. Zarejestrowany sygnał został nazwany GW190521 od daty jego wykrycia. Sygnał był niezwykle krótki. Trwał mniej niż jedną dziesiątą sekundy.

Wyjaśniając swoje obserwacje badacze rozważali szereg możliwości, w tym fakt, że czarne dziury istniały od zarania dziejów. Przez dziesięciolecia uczeni przypuszczali, że takie „pierwotne” czarne dziury mogły spontanicznie uformować się w szerokim zakresie rozmiarów wkrótce po Wielkim Wybuchu.

Głównym scenariuszem rozważanym przez zespół był taki, że czarne dziury stały się tak duże, ponieważ same były wynikiem wcześniejszych połączeń z innymi czarnymi dziurami. Czarne dziury powstałe w wyniku zapadnięcia się gwiazd mogły ulegać wielokrotnym połączeniom.

Uczeni oszacowali, że oba obiekty miały masę około 85 i 66 mas Słońca. Wskazuje to, że jedna z tych czarnych dziur także znajdowała się w przedziale mas wskazujących na czarną dziurę o masie pośredniej.

Wyniki uzyskane z analizy sygnału stawiają więcej pytań niż dają odpowiedzi. Być może zrozumienie powstawania czarnych dziur jest na niewystarczającym poziomie. Inną możliwością jest to, że źródłem zarejestrowanego sygnału nie była kolizja dwóch czarnych dziur, tylko innych obiektów.

W pracach Virgo uczestniczy polska grupa uczonych PolGraw skupiająca naukowców z ośmiu jednostek badawczych. W jej skład wchodzą badacze z Instytutu Matematycznego PAN, Centrum Astronomicznego im. Mikołaja Kopernika PAN, Narodowego Centrum Badań Jądrowych, Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie, a także Uniwersytetów: w Białymstoku, Jagiellońskiego w Krakowie, Mikołaja Kopernika w Toruniu, Warszawskiego, Wrocławskiego i Zielonogórskiego.

 

Źródło: Nature, fot. N. Fischer, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Max Planck Institute for Gravitational Physics), Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) Collaboration