Kosmos złamał zasady. Czarna dziura i martwa gwiazda namieszały
Zderzenia czarnych dziur z martwymi gwiazdami już zdążyły wejść do katalogu kosmicznych ekstremów. Teraz okazało się, że jedna z takich par przed finałowym krachem wcale nie krążyła po okręgu, tylko po wyraźnie owalnej orbicie.
Bohaterem tej historii jest układ oznaczony GW200105 – sygnał fal grawitacyjnych zarejestrowany 5 stycznia 2020 r. przez detektory LIGO i Virgo. W danych ukryta była istna katastrofa: czarna dziura pochłaniająca gwiazdę neutronową, czyli niezwykle gęstą pozostałość po dawnej, masywnej gwieździe. Gwiazda neutronowa to obiekt o średnicy kilkunastu kilometrów, ale masie porównywalnej z masą Słońca. Łyżeczka jej materii ważyłaby miliardy ton.
Według najnowszej analizy czarna dziura znajdująca się w tym układzie miała około 13 mas Słońca. Po zderzeniu powstał jeszcze cięższy obiekt, który zadzwonił Wszechświatowi w postaci fal grawitacyjnych – zmarszczek czasoprzestrzeni rozchodzących się z prędkością światła. Do Ziemi dotarły one po mniej więcej 900 mln lat, a superczułe interferometry zamieniły tę kosmiczną falę w wykres do zbadania.
Dlaczego orbity powinny być okrągłe?
Z zasady taki układ powstaje bardzo spokojnie. Dwie masywne gwiazdy rodzą się razem, obiegają wspólny środek masy, potem kolejno eksplodują jako supernowe, zostawiając po sobie czarną dziurę i gwiazdę neutronową. Przez miliony lat wysyłają fale grawitacyjne, które powoli kradną im energię orbitalną. Ruch wygładza się, a elipsa staje się coraz bardziej podobna do idealnego okręgu.
Izolowane układy podwójne, które tracą energię tylko przez fale grawitacyjne, powinny wejść w detektory w praktycznie kołowych orbitach. Taki obraz od lat stoi u podstaw większości modeli teoretycznych, a także algorytmów wyszukiwania fal grawitacyjnych w danych LIGO i Virgo.
Właśnie dlatego przez długi czas w analizach z góry zakładano, że orbita jest kołowa. Uproszczenie ułatwiało obliczenia i zwykle nie przeszkadzało w dopasowaniu sygnału. Problem w tym, że jeśli rzeczywisty układ jest choć trochę krzywy, takie założenie może go zniekształcić, np. zaniżyć masę czarnej dziury albo zawyżyć masę gwiazdy neutronowej.
Owalna orbita, która po prostu nie powinna istnieć
Nowe badania GW200105 zrobiły coś, czego wcześniej nie robiono: użyto zaawansowanego modelu fal grawitacyjnych, który jednocześnie uwzględnia dwa trudne efekty – mimośrodowość orbity (czyli to, jak bardzo przypomina ona elipsę, a nie okrąg) oraz precesję, czyli bujanie się orbity wynikające z rotacji składników układu. To jak próba odczytania dwóch nałożonych na siebie rytmów w jednym sygnale.
Wynik okazał się zaskakujący. Zamiast niemal idealnego okręgu, analiza wskazała wyraźnie eliptyczną orbitę tuż przed zderzeniem. Matematycznie opisuje ją parametr zwany mimośrodem – przy wartości równej zeru mamy idealne koło, przy rosnącej wartości orbita staje się coraz bardziej spłaszczona. Dla GW200105 nowa analiza sugeruje mimośród rzędu kilkunastu setnych przy okresie obiegu wynoszącym około 0,1 sekundy, a scenariusz w pełni kołowy został odrzucony z pewnością rzędu 99,5 proc.
Przekładając to na prostszy język, czarna dziura i gwiazda neutronowa nie krążyły jak po równym torze stadionu, ale raczej jak po mocno wyciągniętej bieżni. Co więcej, ten krzywy charakter orbity był widoczny tuż przed kolizją, a więc w momencie, kiedy według klasycznego scenariusza wszystko powinno być już dawno wygładzone.
Kosmiczna makabra zamiast spokojnego związku
Skąd taki wybrakowany okrąg w miejscu, gdzie fizyka oczekuje ideału? To pytanie prowadzi do środowiska, w którym para w ogóle powstała.
Jeśli układ rodzi się i ewoluuje samotnie bez towarzystwa innych masywnych obiektów, fale grawitacyjne mają mnóstwo czasu, by zetrzeć każdy ślad ekscentryczności. Ale w gęstym nagromadzeniu gwiazd, w pobliżu supermasywnej czarnej dziury albo w centrum galaktyki, sytuacja jest inna. Tam obiekty nie mają spokoju: mijają się, zderzają grawitacyjnie, wymieniają partnerów.
Przeczytaj także:
Nowe wyniki sugerują, że GW200105 najprawdopodobniej nie powstał w cichym zakątku kosmosu, tylko w takim właśnie tłumie, gdzie grawitacja wielu gwiazd naraz mogła ukształtować orbitę pary w niezwykły sposób.
Symulacje pokazują, że w gęstych gromadach kulistych albo w pobliżu supermasywnych czarnych dziur łatwo o scenariusze, w których dwa zwarte obiekty – czarna dziura i gwiazda neutronowa – zostają połączone w parę z wyraźnie eliptyczną orbitą i zderzają się szybciej, niż fale grawitacyjne zdążą tę elipsę wygładzić. Innymi słowy, orbitę tej pary prawdopodobnie popsuła kosmiczna dynamika wielu ciał, a nie spokojne, długotrwałe starzenie się w izolacji.
