Gdzie we wszechświecie powstają czarne dziury?

Badacze z University of Birmingham zajmujący się falami grawitacyjnymi, opracowali nowy model, który może pomóc astronomom w poszukiwaniu pochodzenia układów masywnych czarnych dziur we Wszechświecie.

Czarne dziury powstają w wyniku kolapsu gwiazd oraz eksplozji supernowych. Masę takich obiektów podaje się w masach słońca ( M).

Zazwyczaj, po gwiazdach pozostają czarne dziury o masie do 45 M. Takie układy następnie łączą się w pary i zlewają ze sobą, emitując przy tym fale grawitacyjne takie jak te obserwowane za pomocą detektorów LIGO oraz Virgo.

Kolaps gwiazdy jednak wiąże się z niestabilnościami, które uniemożliwiają powstawanie masywniejszych czarnych dziur – dlatego potrzebny jest nowy model, który wyjaśni istnienie układów dwóch czarnych dziur o masach powyżej 50 M.

Badacze uważają, że takie obiekty powstają z układów podwójnych czarnych dziur, które połączyły się z innymi czarnymi dziurami . Naukowcy uważają, że te czarne dziury “kolejnej generacji” – złożone z połączenia swoich “rodziców” – mogą być masywniejszymi czarnymi dziurami obserwowanymi przez LIGO i Virgo.

W najnowszym artykule opublikowanym w periodyku Physical Review D, badacze z Instytutu Astronomii Fal Grawitacyjnych na Uniwersytecie w Birmingham wskazują, że przyszłe detekcje procesów łączenia “wielopokoleniowych” czarnych dziur pozwoli nam określić sposób ich powstania. Nowe obliczenia mogą pozwolić astronomom lepiej zrozumieć procesy łączenia czarnych dziur.

“Gromady gwiazd – grupy gwiazd związanych ze sobą grawitacyjnie – mogą być swego rodzaju wylęgarniami czarnych dziur i stanowią idealne środowisko do powstawania kolejnych generacji czarnych dziur” mówi dr Davide Geroa, główny autor opracowania. “Ale aby dowiedzieć się jakie gromady gwiazd się do tego najlepiej nadają, najpierw musimy wiedzieć jakie warunki fizyczne są do tego potrzebne”.

Badacze uważają, że odkryli część rozwiązania tej zagadki obliczając prawdopodobną “prędkość ucieczki” jaka musi charakteryzować gromadę, aby mogła w niej powstać czarna dziura o masie 50 M. Prędkość ucieczki to prędkość, z jaką musi poruszać się obiekt, aby pokonać przyciąganie grawitacyjne. Dla przykładu, aby opuścić Ziemię i znaleźć się na orbicie, rakieta musi mieć prędkość 11 km/s.

Gdy się ze sobą łączą, czarne dziury ulegają odrzutowi. Tak samo jak pistolet wystrzeliwujący pocisk ulega odrzutowi, tak czarne dziury ulegają mu emitując fale grawitacyjne. Czarne dziury kolejnej generacji mogą powstawać tylko jeżeli ich “rodzice” nie zostały wyrzucone w gromady (czyli gdy prędkość ucieczki gromady jest wystarczająco wysoka).

Badacze obliczyli, że obserwowanie czarnych dziur o masie powyżej 50 M wskazuje, że gromada, w której mieszkają ma prędkość ucieczki wyższą niż 50 km/s.

“Obserwacje fal grawitacyjnych stanowią niespotykaną okazję do badania środowiska astrofizycznego, w którym powstają i ewoluują czarne dziury” mówi współautor, prof. Emanuele Berti z JHU.

Gdzie zatem możemy znaleźć tego typu gęste gromady? Wiele prognoz dla LIGO i Virgo skupiało się przede wszystkim na “gromadach kulistych” – sferycznych zbiorach około miliona gwiazd krążących po obrzeżach galaktyk. Ich prędkość ucieczki jednak jest zbyt niska. Najnowsze badania wskazują, że gromady kuliste raczej nie są miejscem narodzin wielopokoleniowych czarnych dziur. Astronomowie będą musieli poszukać gdzie indziej: gromady gwiazd znajdujące się w centrach niektórych galaktyk są wystarczająco gęste i mogą zapewniać odpowiednie warunki do powstawania takich obiektów.

Źródło: University of Birmingham

Author: Radek Kosarzycki

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