Zespół naukowców opublikował artykuł, w którym proponuje nową metodę rekonstrukcji „drzewa genealogicznego” czarnych dziur.
Podejście zastosowane w tych badaniach oferuje sposób na wnioskowanie o właściwościach przodków czarnych dziur w zderzeniach, jednych z najbardziej brutalnych zdarzeń, jakie możemy zaobserwować we Wszechświecie. W wyniku tych fuzji generowane są fale grawitacyjne, które poruszają się z prędkością światła, i które można obecnie wykryć za pomocą detektorów opracowanych przez międzynarodowe współprace, takie jak Virgo, Kagra czy LIGO.
Odsłaniając drzewo genealogiczne czarnych dziur
Analizując fale grawitacyjne, można uzyskać informacje o łączących się czarnych dziurach, takie jak ich masy, kierunek wirowania i inne wskazówki dotyczące ich pochodzenia. W większości przypadków czarne dziury powstają z pozostałości masywnych gwiazd, które zapadły się pod wpływem własnej grawitacji po wyczerpaniu paliwa jądrowego.
Jednakże, zgodnie z teoriami astrofizycznymi, istnieje pewien rodzaj „próżni”, w której czarne dziury nie mogą powstawać bezpośrednio z zapadania się gwiazd, i która jest znana jako „przedział masy supernowych powstających z powodu niestabilności kreacji par”. Uważa się, że czarne dziury w tym przedziale przechodzą z hierarchicznych fuzji, tj. kolejnych fuzji mniejszych przodków czarnych dziur, z których każda tworzy coraz bardziej masywną czarną dziurę. W ten sposób tworzą one swego rodzaju drzewo genealogiczne, w które niniejsze badania zamierzają się zagłębić.
Chociaż wyjaśnienie to wydaje się proste, proces ten nie jest trywialny. Aby czarna dziura mogła uczestniczyć w kolejnych fuzjach, musi pozostać związana ze swoim środowiskiem macierzystym, takim jak galaktyka lub gęsta gromada gwiazd. Jednak czarne dziury powstałe w wyniku fuzji uzyskują prędkość odrzutu, która może osiągać tysiące kilometrów na sekundę, co często wystarcza do wyrzucenia ich z większości środowisk macierzystych. Na przykład w gromadach kulistych, które są uważane za kluczowych gospodarzy fuzji czarnych dziur, prędkość ucieczki wynosi tylko około 50 km/s. Chociaż spin i masę czarnych dziur można zmierzyć bezpośrednio na podstawie sygnałów fal grawitacyjnych, prędkość odrzutu zależy od właściwości przodków łączących się czarnych dziur, których nie można bezpośrednio zaobserwować.
Dzięki tego typu badaniom możemy nie tylko odgadnąć przodków obserwowanych przez nas czarnych dziur. Możemy również odgadnąć, w jakim środowisku (jeśli w ogóle!) proces ten mógł mieć miejsce. Jeżeli żadne środowisko nie jest możliwe, a te czarne dziury nie mogą być wynikiem wcześniejszych fuzji, być może będziemy musieli ponownie przemyśleć ewolucję gwiazd lub rozważyć, że być może w ogólnie nie obserwujemy czarnych dziur – powiedział prof. Juan Calderón Bustillo, stypendysta Ramón y Cajal w IGFAE, wspólnym ośrodku Uniwersytetu Santiago de Compostela i Xunta de Galicia (Hiszpania), a także współautor artykułu.
Analiza tajemniczego sygnału GW190521
Zespół zastosował tę technikę do tajemniczego sygnału fal grawitacyjnych GW190521, który dotyczy czarnej dziury mieszczącej się w „zakazanej luce masowej”. Odkryliśmy, że zgodnie z właściwościami odkrytymi przez niektóre grupy dla tej czarnej dziury, jest mało prawdopodobne, aby powstała ona w gromadzie kulistej ze względu na duże kopnięcia, które ta czarna dziura mogła odziedziczyć – powiedział Carlos Araujo, student studiów magisterskich w Instituto de Astrofisica de Canarias.
Rzeczywiście, środowiska o większych prędkościach ucieczki, takie jak aktywne jądra galaktyk https://pl.wikipedia.org/wiki/Galaktyka_aktywna lub jądrowe gromady gwiazd, wydają się bardziej prawdopodobne ze względu na ich zdolność do zatrzymywania czarnych dziur z dużymi kopnięciami. Jest to zgodne z istniejącymi badaniami sugerującymi, że GW190521 miał miejsce w galaktyce aktywnej – powiedział Henry Wong, analityk danych w sektorze prywatnym.
Odkryliśmy, że możemy uzyskać dostęp do odrzutu urodzin czarnej dziury, ponieważ jest ono ściśle związane z jej spinem. Niestety, obecnie nie możemy mierzyć spinów z dużą precyzją, co jest jednym z czynników ograniczających nasze badania. W miarę jak LIGO i Virgo będą zwiększać swoją czułość, a nowe detektory trzeciej generacji będą dostępne online, nasza metoda zapewni bardziej szczegółowy wgląd w genealogię obserwowanych przez nas czarnych dziur – powiedziała Ania Liu, współautorka pracy i doktorantka na Chinese University of Hong Kong.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
