An artist’s impression of two colliding black holes.Credit: Carol & Mike Werner/Visuals Unlimited, INC./Science Photo Library
Astronomowie wykryli najpotężniejsze, najodleglejsze i najbardziej kłopotliwe zderzenie czarnych dziur, jakie do tej pory udało się wykryć za pomocą fal grawitacyjnych. Spośród dwóch behemotów, które połączyły się, gdy Wszechświat był w połowie swojego obecnego wieku, przynajmniej jedna – ważąca 85 razy więcej niż Słońce – ma masę, którą uważano za zbyt dużą, by mogła być zaangażowana w takie zdarzenie. A fuzja wytworzyła czarną dziurę o masie prawie 150 mas Słońca, jak oszacowali naukowcy, umieszczając ją w zakresie, w którym żadne czarne dziury nie zostały wcześniej jednoznacznie zaobserwowane.
„Wszystko w tym odkryciu jest niesamowite”, mówi Simon Portegies Zwart, astrofizyk obliczeniowy na Uniwersytecie w Lejdzie w Holandii. W szczególności, jak mówi, potwierdza ono istnienie „pośredniej masy” czarnych dziur: obiektów znacznie masywniejszych niż typowa gwiazda, ale nie tak dużych jak supermasywne czarne dziury, które zamieszkują centra galaktyk.
Ilya Mandel, astrofizyk teoretyczny z Monash University w Melbourne, Australia, nazywa to odkrycie „cudownie nieoczekiwanym”.
Zdarzenie, opisane w dwóch pracach opublikowanych 2 września1,2, zostało wykryte 21 maja 2019 roku, przez bliźniacze detektory Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) w Stanach Zjednoczonych i przez mniejsze obserwatorium Virgo w pobliżu Pizy we Włoszech. Nazwano ją GW190521 po dacie jej wykrycia.
Masy zabronione
Od 2015 roku LIGO i Virgo zapewniły nowy wgląd w kosmos poprzez wykrywanie fal grawitacyjnych. Te falowania w tkance czasoprzestrzeni mogą ujawnić zdarzenia, takie jak fuzje czarnych dziur, które normalnie nie byłyby widoczne za pomocą zwykłych teleskopów.
W oparciu o właściwości fal grawitacyjnych, takie jak sposób, w jaki zmieniają one wysokość, astrofizycy mogą oszacować rozmiary i inne cechy obiektów, które je wytworzyły, gdy spiralnie wpadały na siebie. Zrewolucjonizowało to badania nad czarnymi dziurami, dostarczając bezpośrednich dowodów na istnienie dziesiątków takich obiektów, o masie od kilku do około 50 razy większej od masy Słońca.
Masy te są zgodne z czarnymi dziurami, które powstały w „konwencjonalny” sposób – gdy bardzo dużej gwieździe zabrakło paliwa do spalania i zapadła się pod własnym ciężarem. Jednak konwencjonalna teoria mówi, że kolaps gwiezdny nie powinien produkować czarnych dziur o masie 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 – jest to zjawisko zwane niestabilnością par. Wywołuje to wybuchową fuzję jąder tlenu, która rozrywa gwiazdę na kawałki, całkowicie ją dezintegrując.
W swoim najnowszym odkryciu detektory LIGO i Virgo wyczuły tylko cztery ostatnie tętnienia wytwarzane przez spiralne czarne dziury, o częstotliwości, która wzrosła z 30 do 80 Hertzów w ciągu jednej dziesiątej sekundy. Podczas gdy relatywnie mniejsze czarne dziury kontynuują „ćwierkanie” do wyższych częstotliwości, bardzo duże łączą się wcześniej i ledwo wchodzą w dolny koniec zakresu częstotliwości, na który czułe są detektory.
W tym przypadku, oba obiekty zostały oszacowane na około 85 i 66 mas Słońca. „To jest całkiem zgrabnie w zakresie, w którym można się spodziewać, że luka masy niestabilności pary powinna być”, mówi astrofizyk LIGO Christopher Berry z Northwestern University w Evanston, Illinois.
Selma de Mink, astrofizyk z Harvard University w Cambridge, Massachusetts, kładzie granicę dla niestabilności pary jeszcze niżej, być może na 45 masach słonecznych, co pchnęłoby lżejszy z dwóch obiektów mocno w zakazaną strefę, zbyt. „Dla mnie obie czarne dziury są niewygodnie masywne”, mówi.
Niekonwencjonalne czarne dziury
Aby wyjaśnić swoje obserwacje, badacze LIGO rozważyli szereg możliwości, w tym, że czarne dziury istniały od początku czasu. Przez dziesięciolecia naukowcy przypuszczali, że takie „pierwotne” czarne dziury mogły spontanicznie uformować się w szerokim zakresie rozmiarów krótko po Wielkim Wybuchu.
Głównym scenariuszem rozważanym przez zespół jest to, że czarne dziury stały się tak duże, ponieważ same były wynikiem wcześniejszych fuzji czarnych dziur. Czarne dziury powstałe w wyniku kolapsu gwiazd powinny tętnić życiem wewnątrz gęstych gromad gwiazdowych i w zasadzie mogłyby ulegać wielokrotnym fuzjom. Jednak nawet ten scenariusz jest problematyczny, ponieważ po pierwszej fuzji, powstała czarna dziura powinna zazwyczaj dostać kopa od fal grawitacyjnych i wyrzucić się z gromady. Tylko w rzadkich przypadkach czarna dziura pozostałaby w obszarze, w którym mogłaby ulec kolejnej fuzji.
Kolejne fuzje byłyby bardziej prawdopodobne, gdyby czarne dziury zamieszkiwały zatłoczony centralny region swojej galaktyki, de Mink mówi, gdzie grawitacja jest wystarczająco silna, aby zapobiec zwijaniu się obiektów z wystrzeliwania.
Nie wiadomo w której galaktyce doszło do fuzji. Ale mniej więcej w tym samym rejonie nieba, zespół badaczy zauważył kwazar – niezwykle jasne centrum galaktyki zasilane przez supermasywną czarną dziurę – przechodzący rozbłysk około miesiąc po GW1905213. Rozbłysk mógł być falą uderzeniową w gorącym gazie kwazara wytworzoną przez zwijającą się czarną dziurę, chociaż wielu astronomów jest ostrożnych w uznawaniu, że te dwa zjawiska są powiązane.
Jest to drugi raz w tym roku, kiedy zespół LIGO-Virgo wszedł w „zakazany” zakres mas: w czerwcu opisał fuzję z udziałem obiektu o masie około 2,6 masy Słońca – zwykle uważanego za zbyt lekki, aby być czarną dziurą, ale zbyt masywny, aby być gwiazdą neutronową4.