Skąd tak liczne zderzenia czarnych dziur? Zaskakujące rozwiązanie zagadki

Kiedy wyobrażamy sobie dwie czarne dziury, które krążą wokół wspólnego środka masy, widzimy dwie czarne dziury poruszające się po okręgach. Taki układ stopniowo traci energię emitując coraz silniejsze fale grawitacyjne, przez co obie czarne dziury zbliżają się do siebie, aby ostatecznie się ze sobą zderzyć i połączyć. W tym momencie zazwyczaj emitowane są potężne fale grawitacyjne, które jako odkształcenia czasoprzestrzeni przemierzają wszechświat. Kiedy taka fala przechodzi przez Ziemię, przechodzi także przez detektory fal grawitacyjnych takie jak LIGO. Jeżeli detektory akurat działają, naukowcy mogą zebrać informacje o zderzeniu oraz o obu czarnych dziurach. Co ciekawe w danych tych ukryta jest także informacja o ostatnich chwilach życia takiego układu.

Naukowcy rejestrujący od 2015 roku fale emitowane w takich zderzeniach zauważyli, że w przypadku najmasywniejszych par czarnych dziur oba składniki układu zazwyczaj poruszają się po orbitach nieprzypominających okręgów. Powstało zatem pytanie dlaczego tak się dzieje.

Pierwszym takim przypadkiem było zderzenie czarnych dziur, które wyemitowało fale grawitacyjne skatalogowane jako GW 190521. W tym konkretnym zderzeniu naukowcy zauważyli, że zderzyły się ze sobą większe czarne dziury niż się spodziewano, zderzenie wyemitowało także światło widzialne, a na dodatek czarne dziury nie krążyły wokół siebie po okręgach. Nawet dla naukowców zajmujących się zupełnie nową dziedziną nauk - astronomią fal grawitacyjnych - były to trzy zaskoczenia w jednym.

Naukowcy z Kopenhagi opracowali model, który wykazuje, że do zderzeń tego typu dochodzi w centrach galaktyk. Dlaczego tam? W każdej dużej galaktyce w samym centrum znajduje się supermasywna czarna dziura o masie rzędu milionów, a nawet miliardów mas Słońca. Wokół takiej czarnej dziury tworzy się zawsze bardzo gęsty, płaski dysk gazu. I to właśnie w tym środowisku, zagęszczenie i prędkości czarnych dziur są na tyle duże, że zamiast grzecznie krążyć wokół wspólnych środków masy, czarne dziury rozbijają się po otoczeniu od czasu do czasu się ze sobą zderzając niczym bile na stole bilardowym. W takim otoczeniu uporządkowane układy czarnych dziur krążących po okręgach nie mogą istnieć.

Co więcej, gęsty gaz wypełniający taki dysk także ma swój udział w tworzeniu się chaotycznych układów czarnych dziur. Można powiedzieć, że niejako przechwytuje on czarne dziury z otoczenia i z czasem stopniowo zbliża je do samej centralnej supermasywnej czarnej dziury. W efekcie, w odpowiednio małej odległości od niej nagle znajduje się całkiem sporo czarnych dziur. W takim miejscu jest duże prawdopodobieństwo tego, że układ dwóch czarnych dziur krążących wokół środka masy napotka trzecią czarną dziurę, która zacznie z nim grawitacyjnie oddziaływać i wprowadzać zaburzenia do trajektorii lotu obu czarnych dziur.

W normalnym, spokojniejszym otoczeniu, wszystkie te trzy składniki mogłyby tworzyć trójwymiarowy układ przestrzenny. Naukowcy zauważają jednak, że w cienkim dysku wokół supermasywnej czarnej dziury wszystko raczej wydarza się w dwuwymiarowej przestrzeni. Analiza danych wskazuje, że szansa na powstanie układu dwóch czarnych dziur poruszających się po orbitach eliptycznych w takiej sytuacji rośnie stokrotnie. To z kolei sprawia, że niemal połowa zderzeń czarnych dziur w takim środowisku będzie zachodziła na orbitach eliptycznych. Wbrew pozorom zatem te orbity eliptyczne nie są takie wyjątkowe jak się mogło wydawać.

Co więcej, naukowcy zauważają, że w gazowym dysku otaczającym supermasywną czarną dziurę jest mnóstwo czarnych dziur. To z kolei może tłumaczyć zaskakująco duże masy obu czarnych dziur, których zderzenie zarejestrowano w 2019 roku. Obie czarne dziury mogły bowiem być już efektami łączenia mniejszych czarnych dziur.

Naukowcy nie są pewni co tak naprawdę jest ciekawszym obiektem do badania - zderzenia czarnych dziur czy też struktura cienkich dysków gazowych wokół supermasywnych czarnych dziur. Teraz okazało się, że mamy do czynienia ze zderzeniami wielu czarnych dziur w dyskach gazowych. To z kolei oznacza, że w najbliższych latach naukowcy będą uważnie przyglądać się takim obiektom i z pewnością odkrywać kolejne zderzenia czarnych dziur, szczególnie kiedy do pracy wejdą detektory fal grawitacyjnych pozwalające rejestrować zderzenia mniejszych obiektów. Wszechświat bezustannie faluje, wystarczy go dobrze posłuchać.