Dzięki falom grawitacyjnym naukowcy będą mogli zbadać, jak wyglądali przodkowie czarnych dziur

Astronomowie zaproponowali nową metodę rekonstrukcji „drzewa genealogicznego” czarnych dziur. Nowe badanie pozwoli lepiej poznać to jak wyglądali przodkowie tych obiektów, które powstały w czasie fuzji, jednych z najbardziej gwałtownych zdarzeń we Wszechświecie.

.Połączenia czarnych dziur generują fale grawitacyjne, rodzaj „zmarszczek” w czasoprzestrzeni, które przemieszczają się z prędkością światła i które naukowcy obecnie mogą wykryć za pomocą detektory takie jak Virgo, Kagra i LIGO.

Analizując fale grawitacyjne, badacze będą mogli uzyskać informacje o łączących się czarnych dziurach, takie jak ich masy, kierunek wirowania i inne wskazówki dotyczące ich pochodzenia. W większości przypadków te niezwykle gęste obiekty powstają z pozostałości masywnych gwiazd, które zapadły się pod wpływem własnej grawitacji po wyczerpaniu się paliwa jądrowego. Badanie na ten temat, przeprowadzone przez naukowców z Galician Institute of High Energy Physics (IGFAE) w Hiszpanii, zostało opublikowane w czasopiśmie The Astrophysical Journal.

Jednakże, zgodnie z teoriami astrofizycznymi, istnieje rodzaj próżni, w której czarne dziury nie mogą powstawać bezpośrednio z zapadających się gwiazd i która jest znana jako luka niestabilności masy. Astronomowie uważają, że w tym przedziale obiekty te powstają w wyniku fuzji hierarchicznych – kolejnych fuzji mniejszych „przodków” czarnych dziur, z których każdy tworzy coraz bardziej masywny obiekt. W ten sposób tworzą one swego rodzaju drzewo genealogiczne.

 Aby czarna dziura mogła uczestniczyć w kolejnych fuzjach, jak podkreślają astronomowie musi pozostać związana ze swoim macierzystym środowiskiem, takim jak galaktyka lub gęsta gromada gwiazd. Jednak czarne dziury powstałe w wyniku fuzji uzyskują prędkość odrzutu, która może sięgać tysięcy kilometrów na sekundę, co często wystarcza do wyrzucenia ich z większości miejsc, gdzie powstały.

Na przykład w gromadach kulistych, które są uważane za najczęstszych gospodarzy fuzji czarnych dziur, prędkość ucieczki wynosi tylko około 50 km/s. Chociaż spin i masę czarnych dziur można zmierzyć bezpośrednio na podstawie sygnałów fal grawitacyjnych, prędkość ucieczki zależy od właściwości jakie mieli ich przodkowie – obiekty, z których powstały.

„Dzięki tego typu badaniom możemy nie tylko poznać to jak wyglądali przodkowie obserwowanych przez nas czarnych dziur, ale również wskazać, w jakim środowisku (jeśli w ogóle) one powstały. Jeśli okazałoby się, że żadne nie noszą śladów miejsc, w których się narodziły i nie mogłyby być wynikiem wcześniejszych fuzji, być może będziemy musieli ponownie przemyśleć nasze rozumienie ewolucji gwiazd lub rozważyć, że być może w ogóle nie obserwujemy czarnych dziur” – mówi prof. Juan Calderón Bustillo z Galician Institute of High Energy Physics.

Naukowcy wykorzystali tę technikę do tajemniczego sygnału fal grawitacyjnych GW190521, który obejmuje czarną dziurę mieszczącą się w luce niestabilności masy.

„Odkryliśmy, że zgodnie z właściwościami tej czarnej dziury, jest mało prawdopodobne, że powstała ona w gromadzie kulistej ze względu na dużą prędkość, którą nadali jej przodkowie” – twierdzi Carlos Araujo Bustillo z Galician Institute of High Energy Physics.

„Środowiska o wyższych prędkościach ucieczki, takie jak Aktywne Jądra Galaktyk (AGN), wydają się bardziej prawdopodobne ze względu na ich zdolność do uwięzienia czarnych dziur. Jest to zgodne z istniejącymi badaniami sugerującymi, że GW190521 powstała właśnie w takim miejscu” – zaznacza Henry Wong z IGFAE.

.„Odkryliśmy, że możemy uzyskać dostęp do momentu narodzin czarnej dziury, ponieważ jest on ściśle związany z jej spinem. Niestety, obecnie nie możemy go zmierzyć z wysoką precyzją, co jest jednym z czynników ograniczających nasze badania. W miarę jak LIGO i Virgo będą zwiększać swoją czułość, a nowe detektory trzeciej generacji pozwolą na dokładniejsze analizy, nasza metoda zapewni bardziej szczegółowy wgląd w genealogię obserwowanych przez nas czarnych dziur i to jak wyglądali ich przodkowie” – podsumowuje Ania Liu z Bustillo z Galician Institute of High Energy Physics.

Oprac. EG