Odkrywanie zagadki masy czarnej dziury

Kiedy obserwatorium fal grawitacyjnych (LIGO) odkryło swoje pierwsze łączące się czarne dziury, astronomowie byli zaskoczeni: te czarne dziury były znacznie większe, niż się spodziewali! Nowe badanie analizuje, co te obserwacje mogą nam powiedzieć o czarnych dziurach w gromadach gwiazd.

Niespodziewane masy
Przed pierwszym wykryciem fal grawitacyjnych w 2015 roku, teoretyczne istnienie czarnych dziur zostało solidnie ustalone w ramach Ogólnej Teorii Względności. Dowody obserwacyjne dla czarnych dziur o masach gwiazdowych pochodziły z rentgenowskiego układu podwójnego: układ podwójny gwiazd składający się ze zwartego obiektu akreującego materię od gwiazdy towarzyszącej.

Chociaż nie możemy bezpośrednio obserwować czarnych dziur w układach podwójnych w promieniach X, możemy wywnioskować ich istnienie obserwując ruchy układu. Mierząc dynamikę tych układów, uzyskaliśmy szacunkowe masy dla wywnioskowanych czarnych dziur w jak dotąd dwóch tuzinach układów podwójnych; typowo wahają się one w przedziale 5-20 mas Słońca.

Było całkowitym zaskoczeniem, gdy pierwsza detekcja LIGO ujawniła połączenie dwóch czarnych dziur o ogromnej masie 31 i 36 słońc. Spośród dziesięciu połączeń wykrytych przez LIGO i Virgo od tego czasu znaleziono 16 z 20 czarnych dziur, których masy przed zderzeniem przekraczały zakres mierzony dla czarnych dziur w rentgenowskich układach podwójnych.

Dwa kanały formowania?
Co tworzy dychotomię między niższymi masami czarnych dziur mierzonymi w rentgenowskich układach podwójnych a wyższymi masami mierzonymi na podstawie połączeń? Niektórzy naukowcy spekulują, że wykryte przez promieniowanie X i przez fale grawitacyjne czarne dziury są zdominowane przez dwa różne kanały informacji:

  1. Układ podwójny gwiazd ewoluuje w izolacji, przy czym co najmniej jedna gwiazda ostatecznie staje się czarną dziurą. Kanał ten jest proponowany do wykrywania czarnych dziur w promieniowaniu rentgenowskim.
  2. Gwiazdy ewoluują indywidualnie w obrębie gormady, a niektóre z powstałych czarnych dziur łączą się później w układy podwójne poprzez dynamiczne interakcje w gromadzie. Kanał ten jest proponowany dla czarnych dziur wykrywanych przez grawitację.

Czy obserwacje LIGO/Virgo mogą nam powiedzieć więcej o drugim scenariuszu? Zespół naukowców pod kierownictwem Rosalby Perna (Stony Brook University) przeprowadził serię symulacji N-ciał początkowo izolowanych czarnych dziur w mini-gromadzie, aby się tego dowiedzieć.

Symulowanie interakcji
Perna i współpracownicy pokazują, że dynamiczne interakcje w gromadzie preferencyjnie powodują, że najbardziej masywne czarne dziury łączą się w ściślej powiązane układy podwójne. Ponieważ ściśle powiązane układy podwójne szybciej wirują, ta preferencja gromad zwiększa szanse LIGO/Virgo na priorytetowe wykrywanie połączeń cięższych czarnych dziur.

Zespół pokazuje również, że szczególny kształt rozkładu mas mierzonego podczas łączenia zależy od rozkładu początkowych masy czarnych dziur w gromadzie. Porównując obserwacje LIGO/Virgo z ich symulacjami z różnymi początkowymi rozkładami masy, Perna i współpracownicy pokazują, że obserwacje są zgodne z rozkładem oczekiwanym dla gromady gwiazd, która początkowo składała się z masywnych, nisko metalicznych gwiazd.

Chociaż porównania te zawsze są zawiłe dla zaledwie 20 punktów danych, badanie to łatwo można rozszerzyć w przyszłości, ponieważ LIGO i Virgo nadal gromadzą więcej obserwacji. Na razie jednak dynamiczny kanał formowania wygląda jak obiecujące wyjaśnienie czarnych dziury wykrytych za pomocą fal grawitacyjnych!

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:
AAS

Dodaj komentarz

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.