Największe czarne dziury nie powinny istnieć. A jednak kosmos znalazł sposób
Najcięższe czarne dziury wykrywane dziś przez obserwatoria fal grawitacyjnych najpewniej nie powstały w prosty sposób, po śmierci pojedynczej gwiazdy. Nowe badanie sugeruje coś znacznie ciekawszego. Te obiekty są kosmicznymi składakami, które rosły etapami, po kolejnych zderzeniach w zatłoczonych gromadach gwiazd.
To ważna zmiana w myśleniu o czarnych dziurach. Przez lata wyobrażaliśmy sobie, że wiele z nich rodzi się wtedy, gdy bardzo masywna gwiazda kończy życie, zapada się pod własnym ciężarem i zostawia po sobie obiekt tak gęsty, że nie ucieka z niego nawet światło. Ten scenariusz nadal działa, ale najwyraźniej nie wystarcza do wyjaśnienia największych czarnych dziur widzianych przez LIGO, Virgo i KAGRA.
Międzynarodowy zespół kierowany przez naukowców z Cardiff University przeanalizował czwartą wersję katalogu GWTC, czyli Gravitational-Wave Transient Catalog. To zbiór sygnałów zarejestrowanych przez detektory fal grawitacyjnych. W najnowszej analizie uwzględniono 153 wystarczająco wiarygodne przypadki zderzeń czarnych dziur. Wyniki opublikowano w Nature Astronomy.
Te monstrualne czarne dziury nie powstały w zwykły sposób
Fale grawitacyjne można opisać jako zmarszczki czasoprzestrzeni. Powstają wtedy, gdy ekstremalnie masywne obiekty poruszają się z ogromnym przyspieszeniem. Najbardziej spektakularne sygnały pochodzą ze zderzeń czarnych dziur i gwiazd neutronowych. Detektory na Ziemi nie widzą samych czarnych dziur w klasycznym sensie. Rejestrują za to minimalne rozciąganie i ściskanie przestrzeni, które przechodzi przez naszą planetę po takim kosmicznym kataklizmie.
To właśnie w tych sygnałach zapisane są informacje o masie, obrocie i historii obiektów. Dla astronomów to trochę tak, jakby po dźwięku tłuczonego szkła próbować odtworzyć kształt szyby, siłę uderzenia i rodzaj przedmiotu, który ją rozbił. Im więcej takich dźwięków zbierają detektory, tym lepiej można zrozumieć, skąd biorą się czarne dziury.
Astronomia fal grawitacyjnych pozwala obecnie na więcej niż tylko liczenie połączeń czarnych dziur. Zaczyna ujawniać, jak rosną czarne dziury, gdzie rosną i co to mówi nam o życiu i śmierci masywnych gwiazd. To ekscytujące, ponieważ możemy wykorzystać te informacje do sprawdzenia naszej wiedzy o ewolucji gwiazd i gromad we Wszechświecie – wyjaśnia główny autor, dr Fabio Antonini z Wydziału Fizyki i Astronomii Uniwersytetu w Cardiff.
Nowe badanie pokazuje, że katalog GWTC-4 nie jest jedynie listą kolejnych zderzeń. To coraz dokładniejsza mapa pochodzenia czarnych dziur. Zespół Fabio Antoniniego z Uniwersytetu w Cardiff wskazuje, że w danych wyraźnie widać dwie populacje obiektów - lżejsze czarne dziury, zgodne z typowym scenariuszem zapadania się gwiazd, oraz cięższe, których właściwości pasują do scenariusza wielokrotnych połączeń.
Największe czarne dziury rodzą się w tłumie
Kluczem są gęste gromady gwiazd. W takich miejscach gwiazdy i pozostałości po nich mogą być upakowane nawet milion razy ciaśniej niż w okolicach Słońca. To zupełnie inne środowisko niż spokojne kosmiczne sąsiedztwo Układu Słonecznego. Tam czarne dziury mają znacznie większą szansę na bliskie spotkania, przechwycenia grawitacyjne i kolejne zderzenia.
Według badaczy najcięższe czarne dziury z katalogu GWTC-4 mogły być obiektami drugiej albo kolejnej generacji. Najpierw dwie czarne dziury zderzają się i tworzą większą. Potem ta większa czarna dziura, jeśli nie zostanie wyrzucona z gromady, może połączyć się z następną. Po kilku takich etapach powstaje obiekt, którego nie da się łatwo wyjaśnić zwykłym zapadnięciem jednej gwiazdy.
Więcej na Spider's Web:
Najważniejszą wskazówką nie jest wyłącznie masa, ale także spin, czyli obrót czarnej dziury. Lżejsze układy analizowane przez naukowców zwykle obracały się powoli. Cięższe wyglądały inaczej. Miały szybsze spiny, a ich osie obrotu były ustawione w pozornie przypadkowych kierunkach.
To bardzo istotne. Jeśli dwie czarne dziury powstają jako para z gwiazd, które wcześniej krążyły wokół siebie, ich ruch i obroty powinny nosić ślady wspólnej historii. W gęstej gromadzie gwiazd sytuacja jest bardziej chaotyczna. Czarne dziury spotykają się dynamicznie, często przypadkowo, po wcześniejszych oddziaływaniach z innymi obiektami. W takim scenariuszu losowe ustawienie spinów jest dokładnie tym, czego należałoby oczekiwać.
Dlatego autorzy badania uważają, że najwyższe masy w katalogu GWTC-4 nie są tylko skrajnym przypadkiem zwykłej ewolucji gwiazd. To raczej zapis życia w zatłoczonych gromadach, gdzie czarne dziury mogą wpadać na siebie wielokrotnie i rosnąć w sposób hierarchiczny.
Dowody na długo przewidywaną lukę masową
Badanie dostarcza także najsilniejszych jak dotąd dowodów na istnienie luki masowej, w której niezwykle masywne gwiazdy eksplodują w sposób katastrofalny, zamiast zapadać się w czarne dziury.
Od dawna przewidywana teoria opisuje zabroniony zakres mas dla czarnych dziur, które powstają bezpośrednio z gwiazd. Zakłada się, że bardzo masywne gwiazdy zostaną rozerwane zanim utworzą czarne dziury.
Zespół ustalił, że ten zakres występuje w populacji czarnych dziur pochodzenia gwiezdnego, których masa jest 45 razy większa od masy Słońca i większa.
W naszych badaniach znaleźliśmy dowody na istnienie długo przewidywanej luki masowej związanej z niestabilnością par – zakresu mas, w którym gwiazdy w ogóle nie powinny pozostawiać po sobie czarnych dziur. Detektory fal grawitacyjnych z powodzeniem wykryły czarne dziury, które wydają się znajdować w tej luce lub w jej pobliżu. Identyfikujemy je na poziomie około 45 mas Słońca. Teraz kluczowe pytanie brzmi: czy te czarne dziury mówią nam, że nasze modele ewolucji gwiazd są błędne, czy też powstają w inny sposób? - powiedział dr Antonini.
Nowe badanie skłania się ku drugiemu wyjaśnieniu. Najcięższe czarne dziury nie muszą łamać teorii. Mogą być po prostu dziećmi wcześniejszych zderzeń.
Kosmiczne cmentarzyska są bardziej ruchliwe, niż sądziliśmy
Wnioski z badania są proste tylko na pierwszy rzut oka. Największe czarne dziury wykrywane dzięki falom grawitacyjnym prawdopodobnie nie są zwykłymi pozostałościami po pojedynczych gwiazdach. Są obiektami z historią. Najpierw powstały mniejsze czarne dziury, potem doszło do zderzenia, później do kolejnego, a może i następnego.
To zmienia sposób, w jaki patrzymy na gromady gwiazd. Nie są tylko pięknymi skupiskami widocznymi na zdjęciach teleskopów. W ich centrach mogą działać naturalne fabryki czarnych dziur, gdzie grawitacja przez miliardy lat miesza, przyciąga i łączy obiekty w coraz cięższe układy.
A wszystko to udało się odczytać nie ze światła, lecz z drgań czasoprzestrzeni. Czarne dziury nadal pozostają niewidzialne, ale ich zderzenia są coraz bardziej wymowne.
