Obserwowane fale grawitacyjne mogły sygnalizować powstanie nowej czarnej dziury

Credit: NASA/CXC/Trinity University/D. Pooley et al. Illustration: NASA/CXC/M.Weiss

Spektakularne połączenie dwóch gwiazd neutronowych, które doprowadziło do wyemitowania fal grawitacyjnych, o których odkryciu astronomowie poinformowali zeszłej jesieni, prawdopodobnie miało jeszcze jeden skutek: zrodziło czarną dziurę. Ta nowo powstała czarna dziura byłaby najmniej masywną czarną dziurą, jaką kiedykolwiek znaleziono.

W ramach najnowszych badań przeanalizowano dane z obserwatorium rentgenowskiego Chandra zebrane w dniach, tygodniach i miesiącach po wykryciu fal grawitacyjnych przez interferometr LIGO oraz obserwatorium Fermi w dniu 17 sierpnia 2017 r.

Podczas gdy prawie każdy teleskop będący w dyspozycji profesjonalnych astronomów obserwował to źródło, znane oficjalnie jako GW170817, zdjęcia rentgenowskie z Chandry mają kluczowe znaczenie dla zrozumienia, co się stało po zderzeniu tych dwóch gwiazd neutronowych.

Na podstawie danych z LIGO astronomowie oszacowali, że masa obiektu powstałego w wyniku połączenia gwiazd neutronowych wynosi około 2,7 mas Słońca. To sprawia, że jest on na granicy: jest to albo najmasywniejsza gwiazda neutronowa, jaką kiedykolwiek znaleziono, albo najmniej masywna czarna dziura. Dotychczas najmniej masywne czarne dziury charakteryzowały się masą przynajmniej czterech – pięciu mas Słońca.

„Choć gwiazdy neutronowe i czarne dziury są tajemnicze, to zbadaliśmy już wiele z nich w całym wszechświecie za pomocą teleskopów takich jak Chandra” – powiedział Dave Pooley z Trinity University w San Antonio w Teksasie, który kierował badaniami. „Oznacza to, że dysponujemy zarówno danymi, jak i teoriami, w jaki sposób spodziewamy się, że takie obiekty zachowają się w zakresie promieniowania rentgenowskiego.”

Obserwacje Chandry mówią nam nie tylko o tym co udało się dostrzec, ale także o tym czego się nie udało. Gdyby gwiazdy neutronowe połączyły się i utworzyły cięższą gwiazdę neutronową, astronomowie oczekiwaliby, że będzie ona szybko rotowała i wygeneruje bardzo silne pole magnetyczne. To z kolei wytworzyłoby rozszerzającą się bańkę wysokoenergetycznych cząstek, która skutkowałaby silną emisją w zakresie rentgenowskim. Zamiast tego, dane Chandry pokazują poziomy promieni rentgenowskich, które są od kilku do kilkuset razy niższe niż oczekiwano w przypadku szybko wirującej, nowej gwiazdy neutronowej i związanego z nią bąbla cząstek wysokoenergetycznych, co sugeruje, że zamiast niej powstała tam czarna dziura .

Jeśli uda się go potwierdzić, wynik ten dowiedzie, że przepis na stworzenie czarnej dziury może czasami być skomplikowany. W przypadku GW170817 wymagałoby dwóch eksplozji supernowych, które pozostawiły dwie gwiazdy neutronowe na wystarczająco ciasnej orbicie, aby promieniowanie fal grawitacyjnych doprowadziło do połączenia obu gwiazd neutronowych.

Źródło: NASA/CXC/M.Weiss

„Być może udało nam się odpowiedzieć na jedno z najbardziej podstawowych pytań na temat tego olśniewającego wydarzenia: do powstania czego ono doprowadziło?” powiedział współautor Pawan Kumar z University of Texas w Austin. „Astronomowie od dawna podejrzewali, że połączenie gwiazd neutronowych stworzy czarną dziurę i wytworzy impulsy promieniowania, ale do tej pory nie dysponowaliśmy tak jasnym przykładem”.

Obserwacje przeprowadzone za pomocą Chandry dwa do trzech dni po zdarzeniu nie doprowadziły do wykrycia źródła, ale kolejne obserwacje przeprowadzone 9, 15 i 16 dni po zdarzeniu pozwoliły na jego dostrzeżenie. Źródło znalazło się wkrótce za Słońcem, ale dalsze pojaśnienie zaobserwowano w obserwacjach Chandry przeprowadzonych około 110 dni po zdarzeniu, a następnie po około 160 dniach.

Porównując obserwacje Chandry z obserwacjami przeprowadzonymi za pomocą Karl. G. Jansky VLA, Pooley i współpracownicy doszli do wniosku, że obserwowana emisja promieniowania rentgenowskiego jest efektem fali uderzeniowej, powstałej po zderzeniu dwóch gwiazd neutronowych. Nie znaleziono natomiast  śladu promieni rentgenowskich wynikających z obecności nowej gwiazdy neutronowej.

Wnioski zespołu Pooleya będzie można przetestować w ramach przyszłych obserwacji rentgenowskich i radiowych. Jeśli resztka okaże się gwiazdą neutronową z silnym polem magnetycznym, to źródło powinno uzyskać znacznie jaśniejsze promieniowanie rentgenowskie i fale radiowe w ciągu kilku lat, gdy bańka cząstek o wysokiej energii dogoni spowalniającą falą uderzeniową . Jeśli rzeczywiście jest to czarna dziura, astronomowie oczekują, że źródło nadal będzie słabnąć, co zostało ostatnio zaobserwowane.

„GW170817 to wydarzenie astronomiczne, które wciąż dostarcza nam nowych informacji” – powiedział J. Craig Wheeler, współautor raportu z badań z University of Texas. „Dzięki niemu dowiadujemy się niewiarygodnie dużo o astrofizyce najgęstszych znanych obiektów z tego jednego wydarzenia.”

Jeśli dalsze obserwacje dowiodą, że przetrwała ciężka gwiazda neutronowa, odkrycie to rzuci wyzwanie teoriom dotyczącym budowy gwiazd neutronowych i ich masie.

„Na początku mojej kariery astronomowie mogli jedynie obserwować gwiazdy neutronowe i czarne dziury w naszej własnej galaktyce, a teraz obserwujemy te egzotyczne gwiazdy znacznie dalej” – powiedział współautor Bruce Gossan z University of California w Berkeley. „Cóż za ekscytujący czas, aby żyć, zobaczyć instrumenty takie jak LIGO i Chandra, pokazujące nam tak wiele ekscytujących rzeczy, które ma do zaoferowania natura”.