Astronomowie twierdzą, że wykryli najbardziej masywne połączenie dwóch czarnych dziur, jakie kiedykolwiek odkryto

Astronomowie mogli wykryć najbardziej masywne zderzenie dwóch czarnych dziur, jakie kiedykolwiek odkryto, chaotyczne połączenie, które miało miejsce około 7 miliardów lat temu, którego oznaki dopiero co do nas dotarły. To kataklizmiczne wydarzenie dało badaczom miejsce w pierwszym rzędzie narodzin jednego z najbardziej nieuchwytnych obiektów we Wszechświecie.

Odległy pokaz obejmował dwóch głównych graczy: jedną czarną dziurę około 66 mas Słońca i inną czarną dziurę około 85 mas Słońca. Obaj zbliżyli się do siebie, szybko obracając się wokół siebie kilka razy na sekundę, po czym ostatecznie zderzyli się razem w gwałtownym wybuchu energii, który wysłał fale uderzeniowe w całym Wszechświecie. Wynik ich połączenia? Jedna czarna dziura w przybliżeniu 142 razy większa od masy naszego Słońca.

Takie odkrycie może być dużym odkryciem dla astronomów. Do tej pory naukowcom udało się wykryć i pośrednio obserwować czarne dziury w dwóch różnych zakresach rozmiarów. Mniejsze odmiany mają masę od 5 do 100 mas Słońca. Na drugim końcu widma znajdują się supermasywne czarne dziury – rodzaje w centrach galaktyk, które mają masę milionów i miliardów razy większą od masy Słońca. Od wieków naukowcy próbowali wskazać czarne dziury znajdujące się pomiędzy nimi, tak zwane „czarne dziury o masach pośrednich”, których masa wynosi od 100 do 1000 mas Słońca. Astronomowie byli pewni, że tego rodzaju muszą istnieć, ale nie byli w stanie znaleźć żadnych bezpośrednich dowodów na ich istnienie. Wykryto kilka potencjalnych pośrednich czarnych dziur, ale są nadal uważani za kandydatów.

„To naprawdę brakujące ogniwo między nimi [black holes with] dziesiątki mas słonecznych i miliony ”- mówi Salvatore Vitale, adiunkt w LIGO Lab of MIT badający fale grawitacyjne The Verge. „Zawsze było trochę zaskakujące, że ludzie nie mogli znaleźć niczego pomiędzy”.

Dzięki temu odkryciu, opisanemu dzisiaj w czasopismach Pisma przeglądu fizycznego i Astrophysical Journal Letters, możemy mieć pierwsze wykrycie rodzącej się czarnej dziury o masie pośredniej. Odkrycie może pomóc wyjaśnić, dlaczego Wszechświat wygląda tak, jak wygląda – ze stosunkowo obfitymi rozproszeniami mniejszych czarnych dziur i kilku supermasywnych czarnych dziur w centrach galaktyk. Jedna z teorii o tym, jak supermasywne czarne dziury stają się tak duże, mówi, że mniejsze czarne dziury łączą się w kółko, konsolidując się, aż stały się ogromne. Ale gdyby tak było, musiałyby być gdzieś we Wszechświecie pośrednie czarne dziury. „Dlatego astronomowie intensywnie ich szukali, ponieważ pomogłyby w rozwiązaniu tej zagadki” – mówi Vitale.

Zdjęcie: LIGO / Caltech / MIT / R. Ranny (IPAC)

Aby wykryć ten taniec czarnych dziur, naukowcy zmierzyli maleńkie fale uderzeniowe, które wytworzyła fuzja. Kiedy niewiarygodnie masywne obiekty, takie jak czarne dziury, łączą się, wypaczają przestrzeń i czas, tworząc zmarszczki w strukturze Wszechświata, które wystrzeliwują na zewnątrz z prędkością światła z wydarzenia. Te zmarszczki, znane jako fale grawitacyjne, są gigantyczne, gdy są wytwarzane, ale zanim dotrą do naszej planety, są niesamowicie słabe i niezwykle trudne do wykrycia.

Naukowcy stali się całkiem biegli w wykrywaniu tych niewielkich fal grawitacyjnych dzięki obserwatoriom w USA i we Włoszech. Obserwatoria, znane jako LIGO i Virgo, są specjalnie zaprojektowane do wykrywania tych nieskończenie małych fal z kataklizmicznych fuzji – poprzez pomiar, jak zmarszczki wpływają na zawieszone lustra na Ziemi. Odkąd LIGO stworzył pierwsze wykrycie fal grawitacyjnych w 2015 roku obserwatoria zebrały imponujące CV, wykrywając około 67 połączeń czarnych dziur, gwiazd neutronowych i czarnych dziur łączących się z gwiazdami neutronowymi.

Ogłoszone dzisiaj wykrycie, oddalone o 5,3 miliarda parseków, jest również najdalszą fuzją, jaką kiedykolwiek znalazły LIGO i Virgo, a dotarcie do nas fal trwa 7 miliardów lat. To zdarzenie, nazwane GW190521, zostało wykryte 21 maja 2019 roku i było tak słabe, że można je było łatwo przeoczyć. LIGO i Virgo wychwyciły tylko cztery małe fale z połączenia w swoich detektorach, perturbacje trwające zaledwie jedną dziesiątą sekundy. Naukowcy pracujący z danymi wykorzystali cztery różne algorytmy do znalezienia drgań, co ostatecznie pozwoliło im określić masy połączenia i ilość uwolnionej energii. „Podczas procesu zderzenia równowartość siedmiokrotnej masy naszego Słońca została zniszczona i stała się energią opuszczającą system, więc jeśli się nad tym zastanowić, robi wrażenie pod względem energetycznym” – mówi Vitale. „Odpowiednik siedmiu słońc został zniszczony w bardzo krótkim ułamku sekundy”.

Z powodu niewielkiej detekcji astronomowie z LIGO i Virgo rozważają możliwość, że mogli w rzeczywistości nie widzieć masywnego połączenia się czarnych dziur, ale zamiast tego wychwycili fale zapadającej się gwiazdy lub innego dziwnego zjawiska. Jednak połączenie się czarnych dziur jest wyjaśnieniem, które jest najprostsze i najbardziej sensowne dla tego, co zaobserwowali. Astronomowie szacują, że takie fuzje są rzadsze niż mniejsze fuzje czarnych dziur, które widziały LIGO i Virgo, co wyjaśniałoby, dlaczego obserwatorom zajęło trochę czasu, aby wykryć tego rodzaju czarną dziurę. „Na każde takie wydarzenie będzie przypadać około 500 połączeń mniejszych czarnych dziur, więc jest to bardzo rzadkie” – mówi Vitale.

Ale Vitale spodziewa się znowu takich fuzji. W tej chwili LIGO i Virgo nie prowadzą obserwacji, ale te dwa obiekty powrócą do trybu online pod koniec przyszłego roku z pewnymi ulepszeniami, dzięki czemu ich instrumenty będą jeszcze bardziej czułe niż wcześniej. „Powinniśmy być w stanie wykryć więcej tego niezwykle ciężkiego obiektu, a wtedy będziemy mogli powiedzieć nieco więcej o ich pochodzeniu, skąd pochodzą, jak rzadkie są i właściwościach” – mówi Vitale. „Więc naprawdę będziemy w stanie zbadać życie i śmierć tych czarnych dziur”.