Największe zderzenie czarnych dziur mogło nie być rekordowe. Sygnał mógł zostać zakłócony

Zakłócenia fal grawitacyjnych mogą wpływać na to, jak astronomowie oceniają właściwości czarnych dziur będących źródłem tych sygnałów. Zanim dotrą one do Ziemi, fale grawitacyjne mogą zostać zmienione przez grawitację innych masywnych obiektów znajdujących się na ich drodze. Naukowcy wskazują, że taki efekt mógł wpłynąć na interpretację sygnału GW231123, początkowo uznanego za efekt największego zarejestrowanego dotąd zderzenia czarnych dziur.

Zakłócenia fal grawitacyjnych mogą zmienić ocenę źródła

Jak opisują astronomowie, fale grawitacyjne to zmarszczki w czasoprzestrzeni powstające, gdy pary czarnych dziur spiralnie zbliżają się do siebie, a następnie łączą. W ramach nowego badania naukowcy pod kierownictwem Miguela Zumalacárregui z Max Planck Institute for Gravitational Physics odkryli jednak, że jeśli tego rodzaju sygnał zostanie po drodze do Ziemi zakrzywiony przez inny masywny obiekt, te niezwykle gęste obiekty mogą wydawać się znacznie większe, niż są w rzeczywistości. Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie „The Astrophysical Journal Letters”.

Astronomowie ponownie przeanalizowali sygnał pochodzący z tego, co wydawało się największym zarejestrowanym dotąd połączeniem czarnych dziur. I doszli do wniosku, że obiekty te były prawdopodobnie znacznie lżejsze, niż początkowo sądzono.

GW231123 wyglądał na rekordowe zderzenie

Zdaniem naukowców, gdy dwie czarne dziury spiralnie zbliżają się do siebie i łączą, emitują fale grawitacyjne, które rozchodzą się z prędkością światła. Powodują one niewielkie odkształcenia czasoprzestrzeni, rozciągając i ściskając wszystko, przez co przechodzą. Detektory takie jak LIGO, Virgo i KAGRA rejestrują takie zmiany, gdy fale docierają do Ziemi. Na podstawie charakterystyki sygnału badacze mogą określić masy czarnych dziur, które doprowadziły do jego powstania.

W listopadzie 2023 roku sieć LIGO-Virgo-KAGRA zarejestrowała sygnał nazwany GW231123, który, jak oszacowali astronomowie, powstał w wyniku połączenia dwóch czarnych dziur o łącznej masie około 190–265 mas Słońca. Wydawało się, że jest to najmasywniejszy zaobserwowany dotąd układ podwójny czarnych dziur, a jego masa była większa od wartości, jaką badacze uważają, że może wytworzyć standardowy proces zapadania się gwiazdy.

Sygnał mógł zostać wzmocniony przez soczewkowanie

Jeśli jednak fala przechodzi w pobliżu innego masywnego obiektu, jego grawitacja może zadziałać jak soczewka, zakrzywiając i wzmacniając sygnał. Wzmocniony sygnał może wówczas wydawać się silniejszy, niż był w momencie powstania, co może prowadzić naukowców do wniosku, że źródło miało większą masę, niż w rzeczywistości.

Naukowcy podejrzewali jednak, że masy te mogły zostać zawyżone wskutek soczewkowania grawitacyjnego. Aby zbadać tę możliwość, naukowcy stworzyli model uwzględniający zwarty obiekt, potencjalnie czarną dziurę o masie pośredniej, znajdujący się na drodze sygnału i otoczony rozległym polem grawitacyjnym galaktyki. Następnie sprawdzili, jak dobrze przewidywania modelu odpowiadają odkształceniom zaobserwowanym w sygnale GW231123.

Czarne dziury mogły być znacznie lżejsze

Wyniki dostarczyły mocnych statystycznych argumentów na rzecz wyjaśnienia opartego na soczewkowaniu. Prawdopodobieństwo, że zaobserwowany wzór powstał przypadkowo, wyniosło mniej niż 1 proc. Jak wskazują astronomowie, jeśli przyjąć ten scenariusz, rzeczywista łączna masa łączących się czarnych dziur wynosiła od 100 do 180 mas Słońca. Oznacza to mniejszą rozbieżność z istniejącymi modelami powstawania tych obiektów.

Wyniki sugerują, że GW231123 może nie być tak wyjątkowym rekordzistą, jak początkowo się wydawało, a podobne zniekształcenia wskutek soczewkowania mogą dotyczyć także innych wyjątkowo masywnych połączeń czarnych dziur wykrytych do tej pory.

Astronomowie podkreślają, że wraz ze wzrostem czułości detektorów fal grawitacyjnych wcześniejsze detekcje zasługują na ponowną analizę. Niektóre z najbardziej ekstremalnych czarnych dziur we Wszechświecie mogą ostatecznie okazać się nieco mniejsze, niż dotąd sądzono.

Emil Gołoś