O tym, jak doszło do spotkania dwóch odmiennych czarnych dziur

W kwietniu ub.r. eksperymenty LIGO/Virgo zaobserwowały fale grawitacyjne pochodzące z połączenia się czarnych dziur o masach ok. 30 i 10 mas Słońca (obiekt GW 190412). I tak kosmiczne zdarzenie, które miało miejsce dawno, dawno temu, w odległej galaktyce – 2,4 miliardy lat świetlnych stąd – „zakołysało” urządzeniami pomiarowymi na Ziemi.

Badacze nie za bardzo wiedzieli, jak przeprowadzić „inżynierię odwrotną” tego wydarzenia i dowiedzieć się, jak mogło dojść do tego, że obiekty o tak różniących się od siebie masach znalazły się w swoim sąsiedztwie. Byli bowiem przyzwyczajeni do modelowania „symetrycznych” zderzeń dwóch czarnych dziur, a więc łączenia się czarnych dziur o podobnych masach. A tu taka zagwozdka…

Na szczęście w rozwiązaniu problemu pomogły modele polskich astrofizyków, dzięki którym udało się odszyfrować przeszłość układu.

Z polsko-amerykańsko-francuskich badań – opublikowanych w Astrophysical Journal Letters – wynikło, że ten tzw. merger powstał z dwóch masywnych gwiazd – jedna z nich miała na początku 78 MS, a druga 34 MS. Pierwsza autorka publikacji, Aleksandra Olejak, doktorantka z Centrum Astronomicznego im. M. Kopernika PAN w rozmowie z PAP tłumaczy, że gwiazdy te znajdowały się w odległości 700 promieni Słońca, czyli ok. 3 razy dalej niż odległość Ziemi od Słońca.

Masywniejsza gwiazda szybciej zużyła swoje paliwo, zaczęła się rozszerzać, jej otoczka znalazła się bliżej sąsiadki i gwiazdy zaczęły się wymieniać między sobą materią. Potem gwiazda ta zgubiła otoczkę, stała się gwiazdą helową i z czasem zapadła się tworząc czarną dziurę o masie 25 mas Słońca.

Przez jakiś czas pozostała, mniej masywna gwiazda tworzyła układ z czarną dziurą. Kiedy jednak zużyła paliwo, stała się olbrzymem, a jej otoczka tak się rozszerzyła, że w obrębie tej otoczki znalazła się również czarna dziura. Ta faza wspólnej otoczki była o tyle ważna, że z odseparowanego układu dwóch ciał powstał wtedy ciasny ich układ. Na skutek utraty energii orbitalnej (czarna dziura porusza się w otoczce sąsiada) układ się coraz bardziej zacieśniał. Z czasem druga gwiazda zgubiła otoczkę, stając się kolejno gwiazdą helową, supernową, a wreszcie – czarną dziurą o masie 10 Słońc. „W ten sposób powstał układ dwóch czarnych dziur, które przez 20 mln lat oddziaływały ze sobą emitując fale grawitacyjne, a przez to – stopniowo wytracały energię. Aż doszło do ich zderzenia i powstania z nich jednej masywnej czarnej dziury” – podsumowuje Aleksandra Olejak.

I to właśnie zderzenie zaobserwowano w LIGO/Virgo. Doktorantka wyjaśnia, że zderzenia czarnych dziur są – jak na tak potężne wydarzenia w kosmosie – są zaskakująco „ciche” i ciemne. Nie powstaje wtedy żadne promieniowanie elektromagnetyczne – a więc ani błyski ani np. fale radiowe. Gdyby więc nawet najlepszy teleskop świata był wycelowany w takie miejsce w odpowiednim czasie, nic spektakularnego by nie zobaczył. Na szczęście od 2015 r. mamy jako ludzkość do dyspozycji jeszcze jeden „zmysł”, za pomocą którego możemy obserwować wydarzenia w Kosmosie. To obserwatoria fal grawitacyjnych LIGO (w USA) i Virgo (we Włoszech). To w nich możemy obserwować efekty zderzania się czarnych dziur.

Fale grawitacyjne (zwane też poetycko zmarszczkami czasoprzestrzeni) to rozchodzące się drgania czasoprzestrzeni. Ich źródłem są obiekty poruszające się z przyspieszeniem. Aby fale grawitacyjne dało się wykryć, masy i przyspieszenia muszą być bardzo duże. Po raz pierwszy obserwacyjne fale grawitacyjne udało się wykryć w 2015 roku.

„Odbieramy coraz więcej sygnałów z fal grawitacyjnych, ale nie zawsze wiadomo, jaki jest dokładnie scenariusz powstawania tych sygnałów. Widzimy tylko efekt końcowy. Trwają spory, skąd pochodzą te sygnały. Czy one mogły powstawać w izolowanych układach podwójnych, czy może zanim doszło do zderzenia, dochodziło do oddziaływania większej liczby ciał, np. trzech czy czterech gwiazd – bo to przecież też jest możliwe. W naszej pracy pokazujemy, że potrafimy odtworzyć historię układów takich jak GW190412 używając izolowanej ewolucji. Proponujemy też sposób, jak rozpoznać, czy dany obiekt powstał z dwóch obiektów, czy może z większej ich liczby” – podsumowuje Aleksandra Olejak.

PAP – Nauka w Polsce, Ludwika Tomala

źródło:

www.naukawpolsce.pap.pl