Wykryto połączenie dwóch czarnych dziur. Największe w historii

Astronomowie podkreślają, że to ekstremalne zdarzenie wymyka się obecnym modelom astrofizycznym. Pierwszy raz fale grawitacyjne zarejestrowano we wrześniu 2015 roku, ale poinformowano o tym w lutym 2016 roku, ze względu na czas potrzebny do analizy danych i upewnienia się, że to faktycznie fale grawitacyjne. Od tamtej pory wielokrotnie rejestrowano "zmarszczki czasoprzestrzeni". Jednak ostatnia detekcja przyćmiła wcześniejsze. Detektory LIGO zarejestrowały fale grawitacyjne pochodzące ze zderzenia czarnych dziur – największego, jakie do tej pory udało się zarejestrować.

Analizy sygnału GW231123 nie przeszły jeszcze procesu recenzji i obecnie są dostępne w bazie pre-printów ArXiv.

Pierwszych detekcji fal grawitacyjnych dokonały detektory LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) w USA (jeden w Waszyngtonie, drugi w Luizjanie). Z czasem do LIGO dołączył detektor Virgo w pobliżu Pizy we Włoszech, a potem detektor KAGRA (Kamioka Gravitational-Wave Detector) znajdujacy się w Japonii. Obecnie naukowcy zarządzający detektorami współpracują ze sobą i wymieniają informacje. Razem tworzą sieć LIGO-Virgo-KAGRA (LVK). Jednak w listopadzie 2023 roku detektory Virgo i KAGRA były wyłączone. Fale grawitacyjne zarejestrowały jedynie detektory LIGO.

Detektory fal grawitacyjnych zostały zaprojektowane do pomiaru drobnych zniekształceń czasoprzestrzeni spowodowanych gwałtownymi wydarzeniami kosmicznymi. Projekt LIGO-Virgo-KAGRA skupia tysiące naukowców z całego świata. Uczestniczą w nim także polscy badacze z różnych instytutów.

Dzięki tej współpracy wykryto setki połączeń czarnych dziur. Do tej pory najmasywniejsze połączenie – powstałe w wyniku zdarzenia GW190521, które miało miejsce w 2021 roku – zaowocowało powstaniem obiektu o masie 140 razy większej niż masa Słońca. Ale w kolizji zarejestrowanej w 2023 roku zderzyły się czarne dziury o masie około 100 i 140 razy większej od masy Słońca, co doprowadziło do powstania obiektu o masie 225 razy większej od masy Słońca.

Każda z czarnych dziur biorących udział w zderzeniu GW231123 była masywniejsza od górnej granicy masy dla czarnych dziur powstałych w wyniku kolapsu gwiazdy, co sugeruje, że obie mogły brać udział we wcześniejszych zderzeniach. Wiemy, że mniejsze czarne dziury (w przeciwieństwie do supermasywnych czarnych dziur o masie milionów mas Słońca) są pozostałościami po masywnych gwiazdach, które przekształcają się w supernowe. Ich jądra zapadają się pod wpływem grawitacji, tworząc obiekty tak gęste, że światło nie jest w stanie uciec z ich grawitacji.

Istnieje jednak górna granica rozmiaru czarnej dziury, którą może wytworzyć ten mechanizm formowania. Gwiazdy nie mogą rosnąć w nieskończoność i powyżej pewnej masy eksplodują w tzw. supernowej powstającej z powodu niestabilności kreacji par. Supernowa ta charakteryzuje się tym, że gwiazda rozrzuca całą swoją materię i nie tworzy czarnej dziury czy gwiazdy neutronowej. Po takiej eksplozji pozostaje jedynie mgławica. Nie wiemy na pewno, jaka jest ta granica, ale może ona wynosić od około 40 mas Słońca do nawet 60.

– To najmasywniejszy układ podwójny czarnych dziur, jaki zaobserwowaliśmy za pomocą fal grawitacyjnych. Stanowi on prawdziwe wyzwanie dla naszego zrozumienia procesu ich powstawania – powiedział Mark Hannam z Uniwersytetu w Cardiff, członek LVK. – Czarne dziury o tak dużej masie są niedostępne w standardowych modelach ewolucji gwiazd. Jedną z możliwości jest to, że dwie czarne dziury w tym układzie podwójnym powstały w wyniku wcześniejszych połączeń mniejszych czarnych dziur – dodał.

Oprócz dużej masy, czarne dziury z tego układu podwójnego charakteryzowały się szybką rotacją – blisko granicy dozwolonej przez ogólną teorię względności Einsteina. To znacznie skomplikowało sygnał, ale może to być również wskazówka dotycząca historii czarnych dziur. Kiedy dwie czarne dziury się łączą, powstały obiekt powinien mieć szybszą prędkość wirowania – właściwość zaproponowaną przez naukowców jako narzędzie do określenia, czy czarna dziura jest produktem wcześniejszego połączenia.

Duża masa i szybka rotacja tych czarnych dziur przesuwają granice zarówno technologii detekcji fal grawitacyjnych, jak i obecnych modeli teoretycznych. Rozwikłanie wszystkich zawiłości GW 231123 będzie wymagało dalszych analiz, ale zdarzenie to może być również kluczową wskazówką dotycząca tego, jak rosną supermasywne czarne dziury.

Naukowcy stale udoskonalają swoje analizy i ulepszają modele wykorzystywane do interpretacji takich ekstremalnych zdarzeń. – Miną lata, zanim społeczność naukowa w pełni rozwikła ten zawiły sygnał i wszystkie jego implikacje – powiedział Gregorio Carullo z Uniwersytetu w Birmingham i członek LVK. – Mimo że najbardziej prawdopodobnym wyjaśnieniem pozostaje połączenie się czarnych dziur, bardziej złożone scenariusze mogą być kluczem do rozszyfrowania jego nieoczekiwanych cech. Nadchodzą ekscytujące czasy! – dodał.

– To wydarzenie przesuwa nasze możliwości w zakresie instrumentów i analizy danych do granic obecnych możliwości – przyznała Sophie Bini z Caltech. – To dobitny przykład tego, jak wiele możemy się nauczyć z astronomii fal grawitacyjnych – i jak wiele jeszcze pozostaje do odkrycia – dodała.

Twórz treści i zarabiaj na ich publikacji. Dołącz do WP Kreatora