Naukowcy wykryli największe jak dotąd połączenie czarnych dziur. Czym jest i dlaczego ma to znaczenie?

To było uderzenie w nocy. Poważne.

23 listopada 2023 roku fale pochodzące z kolosalnego połączenia się dwóch czarnych dziur dotarły do Ziemi i zostały wychwycone przez współpracę LIGO-Virgo-KAGRA, grupę zajmującą się wykrywaniem tego typu połączeń za pomocą fal grawitacyjnych.

A te czarne dziury były duże, ich masa była 100 i 140 razy większa od masy Słońca.

Jednak ostateczne połączenie doprowadziło do powstania czegoś jeszcze bardziej imponującego: kolejnej czarnej dziury, której masa przekracza 225 mas Słońca, ujawnili dzisiaj astronomowie .

Astronomowie są podekscytowani tym zderzeniem, ponieważ jest ono nietypowe. Większość tego typu zderzeni, wykrytych dotychczas za pomocą fal grawitacyjnych, znajdowała się w odległości od 10 do 40 razy większej od Słońca, powiedziała Sophie Bini, badaczka podoktorska z Caltech, która jest członkiem grupy.

„Wykryliśmy pierwszą falę grawitacyjną 10 lat temu i od tego czasu zarejestrowaliśmy już ponad 300 takich zdarzeń. To naprawdę ekscytujący [czas]” – powiedział Bini. „Ale to zdarzenie jest szczególnie interesujące, ponieważ jest najbardziej masywne”.

Fale grawitacyjne to zmarszczki w czasoprzestrzeni, które można wykryć jedynie za pomocą niezwykle czułych instrumentów, takich jak te pochodzące z projektu, które znajdują się w Stanach Zjednoczonych, Japonii i Włoszech.

Pierwszą falę grawitacyjną wykryto w 2015 roku, a astronomowie ogłosili jej odkrycie w 2016 roku.

Innym ciekawym odkryciem tej detekcji — nazwanej GW231123 — jest to, że para ta najprawdopodobniej obracała się niezwykle szybko.

„Wydaje się, że czarne dziury wirują bardzo szybko – blisko granicy dozwolonej przez ogólną teorię względności [Alberta] Einsteina” – powiedział w oświadczeniu Charlie Hoy z Uniwersytetu w Portsmouth. „To utrudnia modelowanie i interpretację sygnału. To doskonały przykład dla rozwoju naszych narzędzi teoretycznych”.

Zrozumienie czarnych dziur

Nie wszystkie czarne dziury są sobie równe.

Istnieją supermasywne czarne dziury, których masa może być od dziesiątek tysięcy do miliardów razy większa od masy Słońca i które znajdują się w centrach galaktyk. Na przykład Droga Mleczna ma w swoim centrum czarną dziurę zwaną Sagittarius A* – lub Sgr A* – o masie około czterech milionów mas Słońca.

Istnieją również czarne dziury o masie gwiazdowej, których masa może być od kilku do kilkudziesięciu razy większa od masy Słońca. Niektórzy twierdzą, że nawet stukrotnie większa. Powstają one, gdy masywna gwiazda wyczerpie paliwo i eksploduje w spektakularny sposób – zjawisko to nazywa się supernową.

Ale są też takie, które leżą gdzieś pomiędzy nimi, zwane czarnymi dziurami pośrednimi. Znalezienie ich pomiędzy nimi okazało się trudne dla astronomów . To nowe połączenie znajduje się w tym, co astronomowie nazywają „luką masową” między czarnymi dziurami o masie gwiazdowej a czarnymi dziurami supermasywnymi.

Pożeranie gwiazd

Nie jest do końca jasne, dlaczego te dwie czarne dziury były o wiele cięższe, niż wykryli wcześniej astronomowie. Jedna z teorii głosi, że każda z tych dwóch czarnych dziur powstała w wyniku połączenia się dwóch czarnych dziur.

Ale to nie jedyna teoria.

Priya Natarajan, profesor fizyki i kierownik katedry astronomii na Uniwersytecie Yale, bada supermasywne czarne dziury. Chociaż te dwie czarne dziury są niczym w porównaniu z tymi, które ona bada, mówi, że jest podekscytowana niedawnym odkryciem.

„Myślę, że to niezwykle ekscytujące z dwóch powodów. Po pierwsze, ciężar poszczególnych czarnych dziur przed ich faktycznym połączeniem” – powiedział Natarajan, który nie był zaangażowany w te odkrycia. „Faktem jest więc, że w normalnych procesach gwiezdnych, które dają te czarne dziury o masie gwiazdowej, trudno sobie wyobrazić, żeby osiągnęły one masę 100 i 140 za jednym zamachem”.

Ma jednak inną teorię na temat tego, w jaki sposób mogły powstać te dwie niezwykłe czarne dziury.

W 2014 roku była współautorką artykułu , który sugerował, że czarne dziury mogły szybko rosnąć we wczesnym wszechświecie, najpierw przechodząc w stan supernowej, a następnie pochłaniając gwiazdy w rodzącej się gromadzie gwiazd, niczym Pac-Man. Więcej gazu oznacza większe czarne dziury. Jednak w 2021 roku zdała sobie sprawę, że może to nastąpić również później, w nowszym wszechświecie.

„Jedyną różnicą jest to, że gazu jest mniej” – powiedziała. „Więc pokazałam, że jeśli gazu nie jest tak dużo, można zacząć od czegoś, co ma masę jednego lub dziesięciu razy większą od masy Słońca. Może osiągnąć 100… Jeśli gazu jest niewiele więcej, może to być 1000”.

To nowe odkrycie może więc otworzyć przed kosmologami, takimi jak ona, nowe możliwości eksploracji.

Następną rzeczą, którą chciałaby zobaczyć, jest lepszy sposób lokalizowania tych fuzji. Szacuje się, że ostatnie odkrycie miało miejsce w odległości od dwóch do 13 miliardów lat świetlnych.

Dlaczego te odkrycia są istotne?

Chodzi o więź człowieka ze wszechświatem – powiedział Natarajan.

„Myślę, że od momentu, gdy jako neandertalczycy stanęliśmy prosto i mogliśmy spojrzeć w nocne niebo, byliśmy zafascynowani jego regularnością, a także tym kosmicznym dramatem, który się tam rozgrywa, prawda? Widzimy eksplodujące gwiazdy, widzimy zaćmienia, widzimy noc i dzień, widzimy zmiany pór roku. I myślę, że to odzwierciedla fundamentalną ciekawość, którą mamy jako ludzie” – powiedziała.

„Myślę, że poznanie naszego miejsca we wszechświecie jest dla nas kwestią głęboko fundamentalną. I zawsze nią było”.