Przegląd nieba wskazuje na miliony czarnych dziur w Drodze Mlecznej

W Drodze Mlecznej znajduje się znacznie więcej czarnych dziur niż wcześniej myśleliśmy – wskazują najnowsze badania przeprowadzone przez (od lewej) Jamesa Bullocka, profesora fizyki i astronomii; Manoja Kaplinghata, profesora fizyki i astronomii oraz Olivera Elberta, doktoranta z UCI. Źródło: Steven Zylius / UCI

Po przeprowadzeniu spisu, którego celem było policzenie i skatalogowanie czarnych dziur powstałych w eksplozjach masywnych gwiazd, astronomowie z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Irvine doszli do wniosku, że w Drodze Mlecznej znajdują się dziesiątki milionów tych enigmatycznych, ciemnych obiektów – znacznie więcej niż oczekiwano.

„Uważamy, że udało nam się dowieść, że w naszej galaktyce znajduje się nawet 100 milionów czarnych dziur”, mówi dyrektor UCI i profesor fizyki i astronomii James Bullock, współautor artykułu naukowego opisującego badania opublikowanego w najnowszym wydaniu Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Naukowcy z UCI rozpoczęli katalogowanie obiektów ponad 18 miesięcy temu, wkrótce po zarejestrowaniu przez obserwatorium LIGO fal grawitacyjnych powstałych w procesie łączenia się dwóch czarnych dziur, z których każda charakteryzowała się masą około 30 mas Słońca.

„Fundamentalnie, zarejestrowanie fal grawitacyjnych było wielkim osiągnięciem, bowiem ostatecznie potwierdziło kluczowe przewidywania ogólnej teorii względności Einsteina”, mówi Bullock. „Jednak później skupiliśmy się na astrofizyce stojącej za tymi wynikami, na procesie łączenia dwóch czarnych dziur o masie 30 mas Słońca. To było wprost niesamowite. Pojawiło się zatem pytanie „Jak powszechnie występują czarne dziury tych rozmiarów, jak często się ze sobą łączą”?

Naukowcy zakładają, że większość czarnych dziur będących pozostałością po masywnych gwiazdach, które uległy kolapsowi pod koniec swojego życia, będą miały masę podobną do masy Słońca. Zatem zarejestrowanie fal grawitacyjnych wyemitowanych w procesie łączenia dwóch tak dużych czarnych dziur sprawiło, że naukowcy musieli wrócić do tablicy.

Praca naukowców z UCI stanowiła teoretyczną analizę „nietypowości odkrycia LIGO”. Badania – którymi kierował doktorant Oliver Elbert – stanowiły próbę interpretacji detekcji fal grawitacyjnych przez pryzmat tego co wiemy o procesach powstawania galaktyk oraz próbę stworzenia ram, w których będą analizowane przyszłe detekcje.

„Opierając się na naszej wiedzy o procesach powstawania gwiazd w galaktykach różnych typów, możemy wywnioskować kiedy i jak wiele czarnych dziur powstaje w każdej galaktyce”, mówi Elbert. „Duże galaktyki są domem dla starszych gwiazd, a tym samym zawierają więcej starszych czarnych dziur”.

Według współautora artykułu Manoja Kaplinghata, profesora fizyki i astronomii na UCI, liczba czarnych dziur o danej masie występujących w galaktyce zależy od rozmiaru galaktyki.

Dzieje się tak ponieważ większe galaktyki pełne są gwiazd bogatych w metale, a mniejsze galaktyki karłowate zdominowane są przez duże gwiazdy o niskiej metaliczności. Gwiazdy zawierające wiele cięższych pierwiastków, takie jak Słońce, odrzucają dużo swojej masy w trakcie życia. Gdy z czasem taka gwiazda dochodzi do etapu końca życia w formie supernowej, w gwieździe znajduje się mniej materii, która może ulec kolapsowi – powstają z nich zatem czarne dziury o małej masie. Duże gwiazdy o niskiej metaliczności nie tracą w ciągu swojego życia tak dużo materii, dlatego też gdy któraś z nich umiera, niemal cała jej masa kończy w czarnej dziurze.

„Mamy dość dobre pojęcie o całkowitej populacji gwiazd we Wszechświecie i rozkładzie ich mas, dlatego też możemy oszacować jak wiele powstaje czarnych dziur o masie 100 mas Słońca w stosunku do liczby czarnych dziur o masie 10 mas Słońca. Udało nam się oszacować liczbę isniejących dużych czarnych dziur – okazało się, że są ich miliony – znacznie więcej niż myśleliśmy”.

Aby rzucić nowe światło na zjawiska towarzyszące, badacze z UCI starali się określić jak często czarne dziury występują w parach, jak często się ze sobą łączą i jak długo im to zajmuje. Naukowcy zastanawiali się czy czarne dziury o masie 30 mas Słońca wykryte przez LIGO powstały miliardy lat temu i zanim się ze sobą połączyły minęło bardzo dużo czasu, czy też powstały stosunkowo niedawno (w ciągu ostatnich 100 milionów lat) i połączyły się dość szybko po powstaniu.

„Wykazaliśmy, że tylko 0,1 do 1 procenta czarnych dziur musi się ze sobą łączyć, aby wytłumaczyć obserwacje LIGO”, mówi Kaplinghat. „Oczywiście czarne dziury muszą się do siebie wystarczająco zbliżyć w rozsądnym czasie – ale to wciąż kwestia otwarta”.

Elbert spodziewa się wielu więcej detekcji fal grawitacyjnych, które pozwolą jemu i innym astronomom określić cy czarne dziury zderzają się ze sobą głównie w dużych galaktykach. To może nam dużo powiedzieć o fizyce stojącej za procesami łączenia czarnych dziur.

Według Kaplinghata nie będą jednak musieli czekać zbyt długo. „Jeżeli nasza wiedza o ewolucji gwiazd jest prawidłowa, nasze obliczenia wskazują na możliwość odkrycia w ciągu kilku najbliższych lat procesów łączenia czarnych dziur o masie nawet 50 mas Słońca”.

Źródło: UCI