Para supermasywnych czarnych dziur na kursie kolizyjnym

Astronomowie odkryli odległą parę olbrzymich czarnych dziur, które za jakiś czas się ze sobą zderzą.

Masa każdej z obu czarnych dziur to ponad 800 milionów mas Słońca. Gdy obie czarne dziury stopniowo się do siebie zbliżają po spirali, zaczynają emitować fale grawitacyjne, które są swego rodzaju zmarszczkami czasoprzestrzeni. Owe kosmiczne zmarszczki dołączą do jeszcze niewykrytego szumu tła składającego się z fal grawitacyjnych pochodzących z innych supermasywnych czarnych dziur.

Jeszcze przed samym zderzeniem, fale grawitacyjne emitowane przez taką parę supermasywnych czarnych dziur będą znacznie silniejsze od dotychczas odkrytych fal wyemitowanych w trakcie łączenia dużo mniejszych czarnych dziur i gwiazd neutronowych.

“Układy podwójne supermasywnych czarnych dziur wytwarzają najgłośniejsze fale grawitacyjne we wszechświecie” mówi Chiara Mingarelli, badaczka z Centrum Astrofizyki Obliczeniowej w Instytucie Flatron w Nowym Jorku, która także przyczyniła się do odkrycia. Fale grawitacyjne z par supermasywnych czarnych dziur “są milion razy głośniejsze od tych odkrytych dotychczas przez LIGO”.

Badaniami kierował Andy Goulding, badacz z Uniwersytetu w Princeton. Goulding, Mingarelli oraz ich współpracownicy z Princeton donoszą o odkryciu w dzisiejszym artykule opublikowanym w periodyku The Astrophysical Journal Letters.

Te dwie supermasywne czarne dziury są szczególnie interesujące, ponieważ znajdują się one 2,5 miliarda lat świetlnych od Ziemi. Zważając na fakt, że przyglądając się odległym obiektom we wszechświecie, przyglądamy się przeszłości, to ta konkretna para należy do wszechświata sprzed 2,5 miliarda lat. Co ciekawe, badacze szacują, że mniej więcej tyle samo czasu zajmie obu czarnym dziurom dojście do etapu, w którym zaczną emitować silne fale grawitacyjne.

Oznacza to, że obecnie owe czarne dziury już mogą emitować takie silne fale grawitacyjne, ale nawet z prędkością światła, fale te dotrą do nas dopiero za kilka miliardów lat. Jednak badany układ podwójny jest wciąż dla nas przydatny. Odkrycie to pozwoli badaczom oszacować jak wiele pobliskich supermasywnych czarnych dziur emituje fale grawitacyjne, które jesteśmy w stanie odkryć już teraz.

Odkrycie tła fal grawitacyjnych pozwoli nam rozwiązać jedne z największych zagadek w astronomii, np. to jak często galaktyki się ze sobą łączą, oraz czy pary supermasywnych czarnych dziur w ogóle się ze sobą łączą czy też utrzymują się w niemal niekończącym się tańcu wokół wspólnego środka masy.

“To wstyd, że wciąż nie wiemy czy supermasywne czarne dziury się ze sobą zlewają” mówi Jenny Greene, współautorka opracowania i profesor astrofizyki w Princeton.

Supermasywne czarne dziury charakteryzują się masą setek milionów lub nawet miliardów mas Słońca. Niemal wszystkie galaktyki, w tym także nasza Droga Mleczna, zawierają co najmniej jedną taką czarną dziurę w swoim centrum. Gdy galaktyki się ze sobą łączą, ich supermasywne czarne dziury spotykają się i zaczynają się wzajemnie okrążać. Z czasem promienie tych okrążeń maleją, bowiem gaz i gwiazdy przelatują między czarnymi dziurami i kradną im stopniowo energię.

Gdy supermasywne czarne dziury się do siebie wystarczająco zbliżą, taka kradzież energii ustaje. Niektóre badania teoretyczne wskazują, że czarne dziury zatrzymują się w odległości 1 parseka od siebie. Takie spowolnienie może trwać niemal w nieskończoność i jest znane jako problem ostatniego parseka. W tym scenariuszu tylko bardzo rzadkie grupy trzech lub więcej supermasywnych czarnych dziur mogą się ze sobą łączyć.

Astronomowie nie mogą obserwować takich “zatrzymanych” par, ponieważ na długo przed tym jak czarne dziury znajdą się w odległości 1 parseka, będą zbyt blisko siebie, aby można było je rozdzielić w trakcie obserwacji. Co więcej, nie będą one emitowały silnych fal grawitacyjnych dopóki nie poradzą sobie z ostatnim parsekiem. (Widziane sprzed 2,5 miliarda lat temu, nowo odkryte supermasywne czarne dziury oddalone są od siebie o około 430 parseków).

Jeżeli problem ostatniego parseka nie istnieje, astronomowie spodziewają się, że wszechświat wypełniony jest hałasem fal grawitacyjnych emitowanych przez pary supermasywnych czarnych dziur. “Ten szum nazywa się tłem fal grawitacyjnych, i przypomina on chaotyczny chór świerszczy” mówi Goulding. “Nie potrafimy oddzielić jednego świerszcza od drugiego, ale poziom hałasu pozwoliłby nam oszacować ich ilość we wszechświecie”.

Fale grawitacyjne emitowane przez pary supermasywnych czarnych dziur znajdują się poza częstotliwościami obecnie obserwowanymi za pomocą LIGO czy Virgo. Zamiast tego poszukiwacze fal grawitacyjnych opierają się na układach szczególnych gwiazd, pulsarów, które działają niczym metronomy. Szybko rotujące gwiazdy wysyłają rytmiczne fale radiowe. Jeżeli przelatująca fala grawitacyjna rozciągnie lub ściśnie przestrzeń między Ziemią a pulsarem, rytm ulegnie zmianie.

Wykrywanie tła fal grawitacyjnych za pomocą tych układów pulsarów wymaga cierpliwości i monitorowania wielu gwiazd. Rytm pojedynczego pulsara może być zakłócany przez kilkaset nanosekund raz na dekadę. Im głośniejszy szum tła, tym większe zakłócenie rytmu i tym szybciej dokonamy odkrycia.

Goulding, Greene i pozostali astronomowie obserwacyjni wykryli obie czarne dziury za pomocą Kosmicznego Teleskopu Hubble’a.

Źródło: Simons Foundation

Author: Radek Kosarzycki

Niedoszły astronom. Prawie filolog. Aspołeczny popularyzator nauki. Kulturalny cham.