Jak wygląda połączenie czarnych dziur?

Pierwsza bezpośrednia detekcja fal grawitacyjnych w 2015 roku otworzyła nowe okno na wszechświat, umożliwiając w szczególności obserwację łączenia się masywnych czarnych dziur. Do tej pory zaobserwowano dziesiątki połączeń tych wielkich struktur kosmicznych.

Połączenie czarnych dziur

.Obecne obserwacje ograniczają się do końcowych etapów zapadania się, które często trwają zaledwie kilka sekund, a w ich czasie emitowane fale grawitacyjne są niezwykle silne – jak podaje phys.org. Planowane są jednak nowe eksperymentów, które pozwolą naukowcom obserwować pary czarnych dziur znacznie dłużej przed ich połączeniem, potencjalnie nawet lata przed kolizjami.

Gdy znacznie dokładniejsze pomiary zostaną pozyskane, naukowcy planują być gotowi i zdolni do ich interpretacji. Pippa Cole, badacz w grupie Gianfranco Bertone i pierwsza autorka nowego artykułu opublikowanego w Nature Astronomy, wyjaśnia: „Dzięki obecnym pomiarom możemy dowiedzieć się kilku faktów o samych łączących się czarnych dziurach, ale bardzo niewiele o środowisku, w którym dochodzi do fuzji.

Środowisko to samo w sobie jest niezwykle interesujące. Na przykład, może nauczyć nas o jednej z najbardziej nuryujących tajemnic astrofizyki: ciemnej materii. Gdy będziemy mogli użyć nadchodzącego detektora, takiego jak LISA (Laser Interferometer Space Antenna – planowany przez ESA eksperyment w przestrzeni kosmicznej, mający na celu obserwowanie fal grawitacyjnych), by obserwować połączenie czarnych dziur przez dłuższy czas, możliwe będzie sformułowanie znaczących stwierdzeń na temat środowiska, które je otacza”.

Środowisko wokół czarnych dziur

.Istnieją co najmniej trzy różne rodzaje interesujących środowisk otaczających czarne dziury. Najbardziej znanym z nich jest tak zwany dysk akrecyjny – dysk bardzo gorącego gazu wirującego wokół czarnej dziury, taki jak te, które zostały niedawno zobrazowane przez Event Horizon Telescope. Istnieją jednak również inne możliwości.

Czarna dziura może być otoczona chmurą ultralekkich cząstek, tworząc strukturę, którą astronomowie nazwali atomem grawitacyjnym. Ostatnim środowiskiem otaczającym czarne dziury jest możliwe istnienie ciemnej materii, nieuchwytnej forma materii, która wydaje się przenikać kosmos we wszystkich skalach, ale której fundamentalna natura pozostaje nieznana. Astronomowie przewidują, że będzie ona gromadzić się wokół czarnych dziur, gdy te formują się i rosną, tworząc konfiguracje o wysokiej gęstości.

„Piękne jest to, że dzięki nowym obserwacjom możliwe będzie rozróżnienie między wszystkimi trzema środowiskami, które otaczają czarne dziury – a także odróżnienie ich od przypadku, w którym tylne podwórko tej olbrzymiej struktury jest po prostu puste, gdzie dwie czarne dziury wirują wokół siebie w próżni. Udało nam się opracować techniki statystyczne, które przy wystarczającej ilości danych i wystarczająco dużej różnicy mas między dwiema czarnymi dziurami powinny być w stanie bardzo wyraźnie rozróżnić wszystkie scenariusze” – stwierdza Pippa Cole.

Według astronomów, nadchodzące eksperymenty będą w stanie zidentyfikować fale grawitacyjne generowane przez łączenie się czarnych dziur w obecności środowiska, czy to dysku akrecyjnego, atomu grawitacyjnego, czy ciemnej materii. Otwiera to możliwość poszukiwania za pomocą fal grawitacyjnych nowych ultralekkich cząstek, a także kandydatów na ciemną materię.

„Żyjemy w ekscytujących czasach. Wkrótce wkroczymy w nową erę w fizyce i astronomii. Tak jak precyzyjna fizyka cząstek elementarnych pozwala nam poszukiwać nowej fizyki w akceleratorach cząstek na Ziemi, tak precyzyjna astronomia fal grawitacyjnych wkrótce pozwoli nam poszukiwać ciemnej materii i nowych cząstek we wszechświecie” – mówi Gianfranco Bertone jeden z autorów badania.

Teleskop Jamesa Webba

.Zastępca dyrektora ds. rozwoju technologii i profesor w Centrum Badań Kosmicznych Polskiej Akademii Nauk, Piotr ORLEAŃSKI, na łamach „Wszystko co Najważniejsze” twierdzi, że: „Udało się ustawić wszystkie 18 luster Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba. Stanowią one razem zwierciadło o rozpiętości 6,5 metra. Każde z luster musi być oddzielnie wyjustowane, by móc dobrze zobrazować dane, które pozyskuje. W lipcu 2022 roku zobaczyliśmy pierwsze zachwycające zdjęcia różnego rodzaju obiektów kosmicznych. NASA opublikowało specjalną animację, na której można porównać zdjęcia tych samych obiektów pozyskane za pomocą teleskopu Hubble’a i Webba. Dopiero gdy się porównuje zdjęcia, widać, jaka jest różnica między tymi teleskopami”.

„Teleskopy Hubble’a i Webba różnią się dwoma rzeczami. Nowszy z nich jest większy, w związku z tym jest w stanie obserwować mniejsze obiekty, głównie te, które znajdują się dalej od nas. Widziane przez nas w ten sposób kosmiczne zdarzenia zachodziły w przeszłości – światło potrzebowało milionów lat, by do nas dotrzeć i byśmy mogli te zdarzenia teraz zaobserwować. Można powiedzieć, że widzimy to, co działo się np. 13,5 miliarda lat temu. W przypadku teleskopu Hubble’a było to 12 miliardów lat. Ale nawet obiekty wcześniej zaobserwowane przez teleskop Hubble’a widzimy dziś dzięki teleskopowi Webba znacznie bardziej szczegółowo. Tym, co różni te teleskopy, jest również to, że instrumenty teleskopu Hubble’a pracują w zakresie widzialnym, natomiast Webba w podczerwieni. To jest zupełnie inne spektrum fali elektromagnetycznej. Również dzięki temu można więcej zobaczyć. Jednak tym, co znacznie różni te twa teleskopy, jest ich wielkość – starszy ma dwa metry średnicy, nowszy ponad sześć” – pisze prof. Piotr ORLEAŃSKI w tekście „Kosmos coraz bliżej, także z Polakami„.