W kwietniu ub. r. zaobserwowano fale grawitacyjne świadczące o tym, że połączyły się dwie czarne dziury o znacznie różniących się od siebie masach. Zespół kierowany przez Polaków teraz wyjaśnił, jak to możliwe, że tak odmienne obiekty mogły być swoimi sąsiadami. I jak doszło do ich kosmicznego spotkania.
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 https://arxiv.org/abs/2004.08342). 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 (https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/abb5b5) – 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.
Jak doszło do zderzenia dwóch czarnych dziur o różnych masach? Od prawego górnego rogu do dolnego lewego: 1) faza układu podwójnego gwiazd, 2) faza wspólnej otoczki, gdzie czarna dziura – powstała z masywniejszej gwiazdy – znajduje się wewnątrz otoczki drugiej gwiazdy (czarnej dziury nie widać) 3) faza dwóch czarnych dziur, które dążą do połączenia. 4) Fale grawitacyjne towarzyszące połączeniu czarnych dziur. Fot: źródło: CAMK PAN, https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/abb5b5
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
Wspieraj niezależne wydawnictwo:
Podoba Ci się to co robimy? Wesprzyj projekt Magna Polonia!
