Astronomia fal grawitacyjnych to wciąż bardzo młoda dziedzina nauki. Nie powinno zatem dziwić, że ma ona jeszcze dla nas wiele zaskoczeń w zanadrzu. Międzynarodowy zespół naukowców poinformował właśnie o wykryciu najbardziej masywnego połączenia czarnych dziur, jakie kiedykolwiek zarejestrowano. To przełomowe zdarzenie nie tylko bije dotychczasowe rekordy, ale też stawia nowe pytania o pochodzenie najbardziej ekstremalnych obiektów we Wszechświecie.
23 listopada 2023 roku detektory sieci LIGO-Virgo-KAGRA (LVK) zarejestrowały potężny sygnał fal grawitacyjnych, który został skatalogowany pod numerem GW231123. Jego źródłem było zderzenie dwóch czarnych dziur, z których jedna miała masę około 100 mas Słońca, a druga – aż 140 mas Słońca. W wyniku tego kosmicznego kataklizmu powstała pojedyncza czarna dziura o masie około 225 mas Słońca – najcięższa, jaką dotąd udało się zaobserwować w ten sposób.
Fale grawitacyjne to nic innego jak zmarszczki w strukturze czasoprzestrzeni, przewidziane teoretycznie już ponad sto lat temu przez Alberta Einsteina. Powstają one w ekstremalnych zjawiskach astrofizycznych, takich jak łączenie się czarnych dziur czy gwiazd neutronowych. Po raz pierwszy udało się je bezpośrednio zaobserwować w 2015 roku, gdy interferometr LIGO zarejestrował sygnał pochodzący od zderzenia dwóch czarnych dziur o łącznej masie 62 Słońc.
Czytaj także: Pierwotne czarne dziury mkną przez Układ Słoneczny? Obserwatoria fal grawitacyjnych mogą to sprawdzić
Od tamtej pory LIGO (w USA), Virgo (we Włoszech) i KAGRA (w Japonii) połączyły siły, tworząc sieć detektorów LVK. Ich współpraca zaowocowała wykryciem już blisko 300 podobnych zdarzeń – z czego ponad 200 przypada na obecną, czwartą kampanię obserwacyjną, trwającą od maja 2023 roku.
Poprzedni rekord należał do zderzenia oznaczonego jako GW190521 z 2021 roku, które dało początek czarnej dziurze o masie 140 Słońc. GW231123 nie tylko znacznie przekracza ten wynik, ale także budzi poważne pytania co do pochodzenia zaobserwowanych obiektów.
Obie czarne dziury uczestniczące w zderzeniu wirowały z zawrotną prędkością, bardzo bliską teoretycznemu maksimum przewidywanemu przez ogólną teorię względności. Takie cechy sprawiają, że stworzenie modelu zderzenia jest niezwykle trudne. Jak bowiem wskazują naukowcy, istniejące symulacje teoretyczne nie są w pełni przygotowane na analizę tak ekstremalnych przypadków.
Zastanawiająca jest także sama obecność tak masywnych czarnych dziur. Obiekty tej wielkości i o tak szybkiej rotacji nie mogą być pozostałościami po masywnych gwiazdach, jak to ma miejsce w przypadku mniejszych czarnych dziur. Naukowcy podejrzewają zatem, że mogą to być tzw. czarne dziury drugiej generacji – czyli takie, które powstały w wyniku wcześniejszych zderzeń mniej masywnych czarnych dziur pochodzenia gwiazdowego. Takie przypadki sugerują istnienie złożonych, hierarchicznych układów w gęsto zagwieżdżonych środowiskach, takich jak gromady kuliste.
Zespół LVK podkreśla, że GW231123 to nie tylko rekord, ale również poważne wyzwanie dla współczesnej astrofizyki. Zdaniem badaczy, sygnał może skrywać znacznie bardziej złożony scenariusz niż „zwykłe” połączenie dwóch czarnych dziur. Może to oznaczać konieczność przeformułowania części przyjętych modeli i otwiera nowe kierunki badań.
Pełna analiza danych ze zdarzenia może zająć jeszcze wiele miesięcy, a być może nawet lat. W międzyczasie czwarta kampania obserwacyjna LVK trwa dalej. Naukowcy spodziewają się, że w najbliższym czasie pojawią się kolejne niezwykłe odkrycia, które jeszcze bardziej poszerzą nasze rozumienie dynamicznego, niewidzialnego Wszechświata.