Przełom w astrofizyce-czarne dziury się łączą

Daleko w głębi kosmosu dwie czarne dziury zbliżają się spiralnie do siebie i łączą się. Potężne fale grawitacyjne z tego tańca wyścigu śmierci w kosmosie, aż ich zmarszczki dotarły do ​​trzech gigantycznych detektorów na Ziemi: dwóch z obserwatorium laserowego interferometru fal grawitacyjnych z siedzibą w USA (LIGO) i europejskim detektorem Virgo we Włoszech.

Detektory wyczuły dziesiątki takich kataklizmów w ciągu ostatnich 5 lat, ale ten z 21 maja 2019 roku był inny. Była to nie tylko najpotężniejsza i najodleglejsza fuzja, jaką kiedykolwiek widziano, ale wynikająca z niej czarna dziura należy również do klasy długo poszukiwanych czarnych dziur o średniej wadze, członkowie zespołu LIGO-Virgo przedstawili dziś dwa nowe badania. Zaskakujące jest jednak to, że dwie czarne dziury, które się połączyły, są cięższe niż oczekiwano: ich masy wpadają w lukę, w którą teoretycy uważają, że nie jest możliwe zrobienie czarnej dziury zwykłą drogą zapadającej się gwiazdy.

Czarne dziury klasy gwiazdowej są zwykle tworzone, gdy dużej gwieździe wyczerpuje się paliwo jądrowe, a wirujący silnik światła i ciepła zatrzymuje się. Bez tego zewnętrznego ciśnienia zewnętrzne warstwy gwiazdy zapadają się pod wpływem grawitacji, wyzwalając kolosalną supernową i pozostawiając czarną dziurę. Ale w przypadku największych gwiazd zapaść jest jeszcze bardziej katastrofalna, powodując niekontrolowaną eksplozję termojądrową, która niszczy gwiazdę i nie pozostawia nic po sobie. Teoretycznie oznacza to, że powinno nastąpić odcięcie masy czarnej dziury przy około 65 masach Słońca.

Do maja 2019 r. fuzje czarnych dziur wykryte przez LIGO i Virgo w dużej mierze wspierały to odcięcie masy. Potem nadeszło wydarzenie znane jako GW190521, które trwało zaledwie jedną dziesiątą 1 sekundy. Nie został zauważony przez zwykłe algorytmy, które skanują w poszukiwaniu połączeń binarnych (które zazwyczaj trwają kilka razy dłużej), ale został wychwycony przez oddzielny strumień, który wyszukuje „rzeczy, które wybuchną” – mówi Nelson Christensen, fizyk z Cote Obserwatorium d’Azur w Nicei i członek zespołu LIGO-Virgo.

Chociaż sygnał był krótki – zaledwie cztery cykle fal w górę i w dół – zespół mógł go nadal analizować, analizując jego amplitudę, kształt i zmiany częstotliwości w czasie. „To było bardzo trudne do zinterpretowania” – mówi członek zespołu Alessandra Buonanno, dyrektor Instytutu Fizyki Grawitacyjnej im. Maxa Plancka (Instytut Alberta Einsteina). „Spędziliśmy dużo czasu przekonując się, aby zaufać temu, co znaleźliśmy”.

W dwóch opublikowanych dzisiaj artykułach – jednym opisującym wykrywanie w Physical Review Letters i drugim dotyczącym interpretacji danych w The Astrophysical Journal Letters – wspólny zespół LIGO-Virgo twierdzi, że model, który najlepiej pasuje do danych, to dwie czarne dziury – ważące około 66 i 85 mas Słońca – łączą się w czarną dziurę 142 Słońc. Pozostałe osiem mas Słońca zostałoby zamienionych na energię fal grawitacyjnych. „Był znacznie większy niż wszystko, co widzieliśmy” – mówi Christensen.

Czarna dziura o masach 142 mas Słońca natychmiast stawia ją w osobnej klasie. Podczas gdy astronomowie od dawna wiedzieli o mniejszych czarnych dziurach i gigantach w centrach galaktyk zbudowanych z milionów lub miliardów Słońc, tych o średniej wielkości – od 100 do 100 000 mas Słońca – wyraźnie nie było. Astronomowie uważają, że są one potrzebne jako budulec dla supermasywnych czarnych dziur i istnieją pośrednie dowody na ich istnienie, ale może to być najbardziej przekonująca obserwacja, choć na samym dole zakresu. „To tylko wskazówka, że ​​coś jest w tym zakresie mas” – mówi astrofizyk Avi Loeb z Uniwersytetu Harvarda, który nie brał udziału w badaniu.

Być może bardziej interesujące dla astrofizyków są pochodzenie dwóch łączących się czarnych dziur. Jaśniejsza z nich znajduje się na samym wierzchołku luki masowej, więc mogłaby się uformować z jednej gigantycznej gwiazdy. Ale 85 mas Słońca jest trudnych do wyjaśnienia. „To ekscytujące, ponieważ było nieoczekiwane” – mówi Loeb. „Różnica masy była duża, ale teraz drzwi są otwarte dla nowych modeli”.

W swoim artykule interpretacyjnym zespół przyjrzał się wielu możliwym wyjaśnieniom. Czarne dziury mogły być pierwotne, kręcąc się po wirze wczesnego Wszechświata, zanim narodziły się pierwsze gwiazdy. Albo mogły to być małe czarne dziury z połączeniem powiększonym przez soczewkowanie grawitacyjne. A może – bardziej egzotycznie – zmarszczki pochodziły z kosmicznych strun, hipotetycznych defektów w próżni pozostałej po Wielkim Wybuchu. Ale żadne z tych wyjaśnień nie pasowało do danych, a także pary łączących się wag ciężkich. Tak więc zespół ponownie sięgnął po „starą dobrą brzytwę Ockhama”, mówi Christensen: Najprostsze wyjaśnienie jest prawdopodobnie poprawne.

Loeb uważa, że ​​wagi ciężkie są prawdopodobnie „wielopokoleniowe”, w których mniejsze czarne dziury w gęstych obszarach formowania się gwiazd łączą się wielokrotnie, tworząc masy powyżej punktu odcięcia. Galaktyki są często otoczone przez gęste skupiska gwiazd zwane gromadami kulistymi. Mogą one zawierać setki tysięcy starożytnych gwiazd: idealne wylęgarnie czarnych dziur. Gdy czarne dziury opadają w kierunku środka gromady kulistej, z większym prawdopodobieństwem łączą się z innymi. „Te środowiska są wyspecjalizowane, dlatego znajdujemy je dopiero teraz”, mówi, po tym jak LIGO i Virgo wyczuły ponad 60 fuzji.

Ale gromady prawdopodobnie zawierają czarne dziury o różnej masie, a krzywe połączenia powodują asymetryczne podmuchy, które mogą wyrzucić nową czarną dziurę z gromady z prędkością do 1000 kilometrów na sekundę. Aby gromady były wylęgarniami czarnych dziur w przerwie masowej, odrzut musi być niewielki, a gromady muszą być wystarczająco masywne, aby uniemożliwić im ucieczkę, mówi Loeb.

LIGO i Virgo są modernizowane i mają wznowić obserwacje w 2022 r. Ze zwiększoną czułością, umożliwiając im badanie trzykrotnie większej części kosmosu. Znalezienie większej liczby takich ciężkich fuzji „nauczy nas astrofizyki takich gwiezdnych żłobków” – mówi Loeb. „Im więcej mamy wydarzeń, tym więcej wskazówek dotyczących ich pochodzenia”.

Źródło: Daniel Clery, doi: 10.1126 / science.abe6005 | Zdjęcie: DEBORAH FERGUSON, KARAN JANI, DEIRDRE SHOEMAKER, PABLO LAGUNA, GEORGIA TECH, MAYA COLLABORATION

Tematy:
Subscribe
Powiadom o
guest
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x