Mimo całej swojej ogromnej pustki wszechświat brzęczy od aktywności w postaci fal grawitacyjnych. Wytwarzane przez ekstremalne zjawiska astrofizyczne, te pogłosy rozchodzą się i wstrząsają tkanką czasoprzestrzeni, jak brzęk kosmicznego dzwonu.
Codziennie rano zapraszam na podcast „Dzień Dobry Kosmos”
https://dziendobrykosmos.podigee.io/
Teraz naukowcy wykryli sygnał z prawdopodobnie najbardziej masywnego połączenia czarnych dziur, jakie dotychczas zaobserwowano w falach grawitacyjnych. Efektem połączenia jest pierwsze wyraźne odkrycie czarnej dziury o masie pośredniej, o masie od 100 do 1000 razy większej od masy Słońca.
Badacze wykryli sygnał, który oznaczyli jako GW190521. Do odkrycia doszło 21 maja 2019 r., za pomocą Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) – pary identycznych 4-kilometrowych interferometrów w Stanach Zjednoczonych oraz Virgo – 3-kilometrowego detektora we Włoszech.
Sygnał, przypominający cztery pojedyncze fale jest niezwykle krótki, trwał mniej niż jedną dziesiątą sekundy. Z tego, co naukowcy ustalili, GW190521 został wyemitowany przez źródło oddalone o około 5 gigaparseków, w czasach gdy Wszechświat był o połowę młodszy, co czyni go jednym z najbardziej odległych wykrytych dotychczas źródeł fal grawitacyjnych.
Jeśli chodzi o źródło tego sygnału, w oparciu o potężny zestaw najnowocześniejszych narzędzi obliczeniowych i modelujących, naukowcy uważają, że GW190521 został najprawdopodobniej wygenerowany przez połączenie dwóch czarnych dziur o niezwykłych właściwościach.
Prawie każdy dotychczas potwierdzony sygnał fal grawitacyjnych pochodzi z podwójnego połączenia dwóch czarnych dziur lub dwóch gwiazd neutronowych. Ta najnowsza fuzja wydaje się być jak dotąd najbardziej masywna i obejmuje dwie zbliżające się do siebie po spirali czarne dziury o masach około 85 i 66 mas Słońca.
Zespół LIGO-Virgo zmierzył również rotację każdej czarnej dziury i odkrył, że gdy czarne dziury krążyły coraz bliżej siebie, mogły obracać się wokół własnych osi, pod kątami, które nie były wyrównane z osią ich orbity. Niewłaściwie ustawione obroty czarnych dziur prawdopodobnie powodowały chybotanie ich orbit, czyli „precesję”, gdy obie zbliżały się do siebie.
Nowy sygnał prawdopodobnie przedstawia moment, w którym dwie czarne dziury się połączyły. Fuzja stworzyła jeszcze bardziej masywną czarną dziurę, o masie około 142 mas Słońca i uwolniła ogromną ilość energii, odpowiadającą około 8 masom Słońca, która rozleciała się po całym wszechświecie w postaci fal grawitacyjnych.
To nie wygląda jak ćwierkanie, co zwykle wykrywamy. To bardziej przypomina coś, co brzmi„ huk” i jest to najbardziej masywny sygnał, jaki LIGO i Virgo widziały.
– mówi członek Virgo Nelson Christensen, naukowiec z francuskiego Narodowego Centrum Badań Naukowych (CNRS), porównując sygnał z pierwszym wykryciem fal grawitacyjnych przez LIGO w 2015.
Międzynarodowy zespół naukowców, który tworzy LIGO Scientific Collaboration (LSC) i Virgo Collaboration, przedstawił swoje odkrycia w dwóch opublikowanych wczoraj artykułach. Jeden, opublikowany w Physical Review Letters, szczegółowo opisuje odkrycie, a drugi w The Astrophysical Journal Letters omawia właściwości fizyczne sygnału i implikacje astrofizyczne.
LIGO po raz kolejny zaskakuje nas nie tylko wykrywaniem czarnych dziur o rozmiarach, które są trudne do wyjaśnienia, ale robieniem tego przy użyciu technik, które nie zostały zaprojektowane specjalnie do łączenia się gwiazd. Ma to ogromne znaczenie, ponieważ pokazuje zdolność instrumentu do wykrywania sygnałów z całkowicie nieprzewidzianych zdarzeń astrofizycznych. LIGO pokazuje, że może również obserwować nieoczekiwane.
– mówi Pedro Marronetti, dyrektor programowy fizyki grawitacyjnej w NSF.
Luka masowa
Wyjątkowo duże masy dwóch czarnych dziur, a także masa powstałej w wyniku zderzenia czarnej dziury, rodzą mnóstwo pytań dotyczących ich powstawania.
Wszystkie zaobserwowane do tej pory czarne dziury mieszczą się w jednej z dwóch kategorii: czarne dziury o masach gwiazdowych, które mierzą od kilku mas Słońca do dziesiątek mas Słońca i uważa się, że powstają, gdy umierają masywne gwiazdy; lub supermasywne czarne dziury, takie jak ta w centrum galaktyki Drogi Mlecznej, które są od setek tysięcy do miliardów razy większe niż nasze Słońce.
Czarna dziura o masie 142 mas Słońca, powstała w wyniku połączenia GW190521, znajduje się w pośrednim zakresie mas między masami gwiazdowymi a supermasywnymi czarnymi dziurami – jest to pierwsza tego rodzaju czarna dziura, jaką kiedykolwiek wykryto.
Dwie czarne dziury, które utworzyły tę czarną dziurę, również wydają się być wyjątkowe pod względem wielkości. Są tak masywne, że naukowcy podejrzewają, że jedna lub obie z nich mogły nie powstać z zapadającej się gwiazdy, jak ma to miejsce w przypadku większości czarnych dziur o masach gwiazdowych.
Zgodnie z fizyką ewolucji gwiazd, zewnętrzne ciśnienie fotonów i gazu w rdzeniu gwiazdy równoważone jest przez grawitację, dzięki czemu gwiazda jest stabilna, tak jak Słońce. Po tym, jak jądro masywnej gwiazdy zacznie syntetyzować jądra żelaza, nie jest już w stanie wytworzyć wystarczającego ciśnienia, aby utrzymać warstwy zewnętrzne. Kiedy to ciśnienie nie jest już w stanie równoważyć grawitacji, gwiazda zapada się pod własną masą i dochodzi do eksplozji supernowej, po której może pozostać czarna dziura.
Proces ten może wyjaśnić, w jaki sposób gwiazdy o masie 130 mas Słońca mogą wytwarzać czarne dziury o masach do 65 mas Słońca. Ale w przypadku cięższych gwiazd uważa się, że pojawia się zjawisko znane jako „niestabilność par”. Kiedy fotony w rdzeniu stają się niezwykle energetyczne, mogą przekształcić się w parę elektronów i antyelektronów. Te pary wytwarzają mniejsze ciśnienie niż fotony, powodując, że gwiazda staje się niestabilna w obliczu kolapsu grawitacyjnego, a wynikająca z tego eksplozja jest na tyle silna, że nic nie pozostawia. Jeszcze bardziej masywne gwiazdy, powyżej 200 mas Słońca, ostatecznie zapadłyby się bezpośrednio w czarną dziurę o masie co najmniej 120 mas Słońca. Zapadająca się gwiazda nie powinna zatem być w stanie wytworzyć czarnej dziury o masach od około 65 do 120 mas Słońca – zakres ten jest znany jako „luka masowa niestabilności par”.
Ale teraz: cięższa z dwóch czarnych dziur, które wytworzyły sygnał GW190521, przy 85 masach Słońca, jest pierwszą jak dotąd wykrytą w obrębie luki masy niestabilności pary.
Fakt, że widzimy czarną dziurę w tej luce masowej, sprawi, że wielu astrofizyków podrapie się po głowach i spróbuje dowiedzieć się, jak powstały te czarne dziury
– mówi Christensen, dyrektor Laboratorium Artemis w Obserwatorium Nicejskim we Francji.
Jedną z możliwości, którą badacze rozważają w swoim drugim artykule, jest połączenie hierarchiczne, w którym dwie czarne dziury mogły powstać z połączenia dwóch mniejszych czarnych dziur, zanim same ostatecznie się połączyły.
To wydarzenie otwiera więcej pytań niż dostarcza odpowiedzi. Z punktu widzenia odkryć i fizyki jest to bardzo ekscytujące
– mówi członek LIGO Alan Weinstein, profesor fizyki w Caltech.
„Coś niespodziewanego”
Pozostało jeszcze wiele pytań dotyczących GW190521.
Gdy detektory LIGO i Virgo nasłuchują fal grawitacyjnych przechodzących przez Ziemię, automatyczne algorytmy przeczesują zbierane za ich pomocą dane w poszukiwaniu interesujących sygnałów. Te wyszukiwania mogą wykorzystywać dwie różne metody: algorytmy, które wybierają określone wzorce fal w danych, które mogły zostać wytworzone przez kompaktowe układy podwójne i bardziej ogólne wyszukiwania typu „burst”, które zasadniczo szukają czegoś niezwykłego.
Członek LIGO, Salvatore Vitale, profesor fizyki na MIT, porównuje kompaktowe wyszukiwania układów podwójnych do „przeczesywania danych grzebieniem, który wychwytują rzeczy w określonych odstępach”, w przeciwieństwie do wyszukiwań seryjnych, które są bardziej podejściem typu „catch-all” .
W przypadku GW190521 było to wyszukiwanie seryjne, które odebrało sygnał nieco wyraźniej, otwierając bardzo małą szansę, że fale grawitacyjne powstały z czegoś innego niż połączenie binarne.
„Poprzeczka pozwalająca stwierdzić, że odkryliśmy coś nowego, jest zawieszona bardzo wysoka” – mówi Weinstein. „Dlatego zazwyczaj stosujemy brzytwę Ockhama: prostsze rozwiązanie jest lepsze, w tym przypadku jest to podwójna czarna dziura”.
Ale co, jeśli coś zupełnie nowego wytworzyło te fale grawitacyjne? Jest to kusząca perspektywa, a w swoim artykule naukowcy krótko rozważają inne źródła we wszechświecie, które mogły wytworzyć ten sygnał. Na przykład, być może fale grawitacyjne zostały wyemitowane przez zapadającą się gwiazdę w naszej galaktyce. Sygnał może również pochodzić z kosmicznej struny powstałej tuż po tym, jak wszechświat rozrósł się w pierwszych momentach życia – chociaż żadna z tych egzotycznych możliwości nie pasuje do danych ani do połączenia binarnego.
Odkąd po raz pierwszy włączyliśmy LIGO, wszystko, co z pewnością zaobserwowaliśmy, to zderzenie czarnych dziur lub gwiazd neutronowych. Jest to jedyne zdarzenie, w przypadku którego nasza analiza dopuszcza możliwość, że to zdarzenie nie jest taką kolizją. Chociaż to zdarzenie jest zgodne z pochodzeniem z wyjątkowo masowego połączenia podwójnych czarnych dziur, a alternatywne wyjaśnienia są odrzucane, to przesuwa granice naszej pewności siebie. I to potencjalnie czyni je niezwykle ekscytującymi. Ponieważ wszyscy liczyliśmy na coś nowego, coś nieoczekiwany, który może podważyć to, czego się już nauczyliśmy. To wydarzenie ma potencjał, by to zrobić.
– mówi Weinstein.