Detektory fal grawitacyjnych LIGO i Virgo mogą pochwalić się największym jak do tej pory odkryciem. Jak pisze na łamach czasopism “Physical Review Letters” i “Astrophysical Journal Letters” kilka zespołów naukowych, z pomocą tych olbrzymich detektorów udało się zarejestrować sygnał zderzenia i połączenia dwóch czarnych dziur, które w sumie dały największą do tej pory zaobserwowaną w ten sposób czarną dziurę. Jej masa jest 142 razy większa od masy Słońca. To równocześnie najdalsze tak zaobserwowane zjawisko. Sygnał dotarł do Ziemi po 7 miliardach lat od zderzenia.

Takie kosmiczne zderzenia czarnych dziur, którym towarzyszy emisja gigantycznych ilości energii, obserwujemy dzięki detektorom fal grawitacyjnych już od 2015 roku. Zdarzenie, określone jako GW190521, zarejestrowane 21 maja 2019 roku, jest jednak wyjątkowe. 

Po pierwsze, doszło do niego rekordowo dawno – 7 miliardów lat temu. Po drugie nigdy jeszcze nie udało się w ten sposób zarejestrować powstania tak ciężkiej czarnej dziury, owocu zderzenia czarnych dziur o masach równych 85 i 65 masom Słońca. Obserwacja jest pierwszym bezpośrednim dowodem istnienia czarnych dziur o pośredniej masie, większych niż 100 i mniejszych niż 100 000 mas Słońca. Te pierwsze są owocem procesu zapadania się bardzo masywnych gwiazd, te drugie, supermasywne, znajdują często miejsce w centrach galaktyk. 

Klasa “pośrednich” czarnych dziur może pomóc zrozumieć proces powstawania tych supermasywnych. Jeden z proponowanych scenariuszy przewiduje, że tworzą się one właśnie w wyniku zderzeń tych mniejszych. Obserwacje z pomocą fal grawitacyjnych mogą pomóc to zweryfikować. Wcześniej na istnienie czarnych dziur w pośrednim rozmiarze wskazywały co najwyżej obserwacje sygnałów elektromagnetycznych, teraz dostępne jest nowe narzędzie. 

Dla astrofizyków niezmiernie ciekawe są też obliczenia mas czarnych dziur przed samym zderzeniem. Dotychczasowe teorie zakładają, że proces zapadania się masywnej gwiazdy nie może prowadzić do powstania czarnej dziury o masie od 60 do 120 mas Słońca. Fakt, że jedna z tych czarnych dziur miała mieć masę 85 mas Słońca, dokładnie w połowie zakazanego przedziału, sugeruje, że sama mogła być także owocem wcześniejszego zderzenia. Może jednak oznaczać też, że procesu zapadania się masywnych gwiazd do końca nie rozumiemy. W ten sposób obserwacja sygnału GW190521 pozwala znaleźć pewne odpowiedzi, ale i stawia nowe pytania. 

Autorzy prac zwracają uwagę, że w porównaniu z wcześniej obserwowanymi sygnałami fal grawitacyjnych, GW190521 był krótszy i znacznie trudniejszy do analizy. W związku z tym na łamach “Astrophysical Journal Letters” rozważa się inne możliwe, bardziej egzotyczne źródła fal. Najbardziej prawdopodobna jest jednak hipoteza, że ich emisja jest właśnie wynikiem zderzenia czarnych dziur. 

Oprócz odebrania sygnału oznaczonego jako GW190521 bliźniacze detektory LIGO, zlokalizowane w USA w Livingston w stanie Louisiana i Hanford w stanie Washington oraz detektor Virgo w pobliżu włoskiej Pizy dokonały ostatnio jeszcze dwóch interesujących obserwacji. W jednym przypadku było to prawdopodobne zderzenie dwóch czarnych dziur o silnie różniących się masach oraz zderzenie czarnej dziury z tajemniczym, lekkim obiektem, który mógł być najmniejszą dotąd zaobserwowaną czarną dziurą, albo największą gwiazdą neutronową. 

W sumie od kwietnia 2019 do marca 2020 roku LIGO i Virgo zarejestrowały jeszcze 52 interesujące sygnały, których analiza może przynieść nowe informacje o czarnych dziurach i kolejny raz przetestować ogólną teorię względności Alberta Einsteina. 

Grzegorz Jasiński

Czytaj także na RMF24.pl