Oto najgwałtowniejsze zdarzenie w kosmosie. „Druga generacja” czarnych dziur

+

• Po więcej aktualnych informacji zapraszamy na RMF24.pl

Fale grawitacyjne, przewidziane przez Alberta Einsteina w 1916 roku, to swoiste "zmarszczki" czasoprzestrzeni, powstające w wyniku najbardziej gwałtownych zjawisk we Wszechświecie. Najsilniejsze z nich generowane są podczas zderzeń czarnych dziur - obiektów o masie wielokrotnie przewyższającej masę Słońca, a gęstości tak ogromnej, że nawet światło nie jest w stanie ich opuścić. Dzięki zaawansowanym algorytmom i matematycznym modelom, naukowcy potrafią zrekonstruować wiele cech fizycznych tych obiektów, analizując sygnały powstających w chwili zderzenia fal grawitacyjnych. Pozwala to nie tylko określić masę czy odległość od Ziemi, ale także prędkość i kierunek obrotu czarnej dziury, czyli tzw. spin.

Pierwsze z zaobserwowanych i opisanych w opublikowanej dziś pracy zjawisk, oznaczone jako GW241011, zostało zauważone 11 października 2024 roku. Jak wskazują analizy, około 700 milionów lat świetlnych od Ziemi doszło do kolizji dwóch czarnych dziur o masach odpowiednio 17 i 7 mas Słońca. Co szczególnie istotne, większa z nich okazała się jednym z najszybciej rotujących obiektów tego typu, jakie kiedykolwiek zaobserwowano.

Niespełna miesiąc później, 10 listopada 2024 roku, detektory zarejestrowały kolejne zjawisko - GW241110. Tym razem sygnał pochodził z odległości aż 2,4 miliarda lat świetlnych i był efektem połączenia czarnych dziur o masach 16 i 8 mas Słońca. Największą sensację wzbudził jednak fakt, że główna czarna dziura w tym układzie obracała się w kierunku przeciwnym do kierunku orbity - to pierwsza taka obserwacja w historii.

"Każda nowa detekcja dostarcza kluczowych informacji o Wszechświecie i przypomina, że każde zaobserwowane zderzenie to nie tylko odkrycie astrofizyczne, ale także bezcenne laboratorium do testowania fundamentalnych praw fizyki" - podkreśla współautor pracy, dr Carl-Johan Haster z University of Nevada w Las Vegas. "GW241011 i GW241110 to jedne z najbardziej intrygujących zdarzeń spośród kilkuset zarejestrowanych przez sieć LIGO-Virgo-KAGRA" - dodaje prof. Stephen Fairhurst z Cardiff University, rzecznik LIGO Scientific Collaboration. "Te detekcje pokazują niezwykłe możliwości naszych globalnych obserwatoriów fal grawitacyjnych" - przekonuje Gianluca Gemme, rzecznik Virgo Collaboration.

Oba zarejestrowane wydarzenia wskazują na możliwość istnienia tzw. "drugiej generacji" czarnych dziur. Naukowcy zwracają uwagę na wyraźną różnicę mas pomiędzy łączącymi się obiektami - większa z czarnych dziur była niemal dwukrotnie masywniejsza od mniejszej. Dodatkowo, niezwykłe konfiguracje ich spinów sugerują, że większe obiekty mogły powstać w wyniku wcześniejszych zderzeń. Astronomowie nazywają to tzw. hierarchicznym łączeniem się czarnych dziur. Proces ten może zachodzić w środowiskach o wysokiej gęstości, takich jak gromady gwiazd, gdzie czarne dziury mają większą szansę na wielokrotne zderzenia. 

Autorzy pracy pokreślają, że obserwacja GW241011 pozwoliła na przetestowanie kluczowych przewidywań ogólnej teorii względności Einsteina w ekstremalnych warunkach. Szybka rotacja czarnej dziury powoduje jej niewielkie odkształcenie, które pozostawia charakterystyczny "odcisk palca" w falach grawitacyjnych. Analiza tych sygnałów wykazała znakomitą zgodność z matematycznym rozwiązaniem Roya Kerra dla rotujących czarnych dziur, potwierdzając tym samym teorię Einsteina z niespotykaną dotąd dokładnością. Co więcej, znaczna różnica mas między czarnymi dziurami sprawiła, że w sygnale GW241011 udało się zidentyfikować tzw. wyższe harmoniczne, swoiste "alikwoty" znane z muzyki, które w falach grawitacyjnych zaobserwowano dopiero po raz trzeci w historii.

Szybko rotujące czarne dziury, takie jak te zaobserwowane w najnowszych badaniach, mają także ogromne znaczenie dla fizyki cząstek elementarnych. Umożliwiają testowanie istnienia tzw. ultralekkich bozonów - hipotetycznych cząstek przewidywanych przez teorie wykraczające poza Model Standardowy. Gdyby takie cząstki istniały, mogłyby "wyciągać" energię rotacyjną z czarnych dziur, wpływając na ich tempo obrotu. Obserwacja, że masywna czarna dziura z układu GW241011 nadal obraca się z ogromną prędkością, nawet miliony lub miliardy lat po powstaniu, pozwala wykluczyć istnienie ultralekkich bozonów o szerokim zakresie mas.

LIGO-Virgo-KAGRA to światowa sieć zaawansowanych detektorów fal grawitacyjnych, która kończy właśnie czwartą serię obserwacyjną. Od maja 2023 roku udało się zarejestrować już około 300 zderzeń czarnych dziur, a kolejne obserwacje czekają na ostateczną weryfikację.