Czarne dziury łączą się przy silnie nachylonych osiach obrotu. Nowe obserwacje
Dwa sygnały fal grawitacyjnych wyjaśniają, dlaczego cięższe czarne dziury z par przyczynowych nie powstały w wyniku eksplozji gwiazdowej. Naukowcy zwracają uwagę, że one różnią się od tych, które do tej pory obserwowali.
Wiele podwójnych czarnych dziur było kiedyś układami podwójnymi gwiazd. Tam dwie gwiazdy, każda masywniejsza od naszego Słońca, orbitujące wokół siebie, jedna po drugiej eksplodowały jako supernowe i zapadły się w czarne dziury. Ta historia powstania zazwyczaj prowadzi do powstania wolno obracających się czarnych dziur, których równiki są wyrównane z płaszczyzną orbitalną układu podwójnego.
– Te dwa nowe sygnały pochodzą z łączących się podwójnych czarnych dziur, które różnią się od tych, których zwykle się spodziewamy i które obserwowaliśmy do tej pory. Oba zawierają czarne dziury, które obracają się niezwykle szybko wokół nietypowo zorientowanych osi, co sugeruje istnienie nowej populacji czarnych dziur – powiedziała Alessandra Buonanno, dyrektor Instytutu Fizyki Grawitacyjnej im. Maxa Plancka (Instytut Alberta Einsteina; AEI) w Poczdamie.
Ponieważ obie pary składają się z dwóch czarnych dziur o nierównej masie, naukowcy mogli określić, jak szybko obracała się każda z cięższych czarnych dziur i w jakim kierunku wskazywała jej oś obrotu. Te nowe wyniki uzyskano dzięki zastosowaniu zaawansowanych modeli fal, w tym trzech opracowanych w AEI. Są to matematyczne wzory służące do obliczania fal grawitacyjnych emitowanych przez układ podwójny. Zaawansowane modele zakładają orbity kołowe, ale mogą obsługiwać ogólne orientacje osi obrotu czarnych dziur.
Pierwszy z bliźniaczych sygnałów, GW241011, został zaobserwowany 11 października 2024 r. przez detektor LIGO w Hanford i detektor Virgo. Detektor LIGO Livingston był w tym czasie poddawany tymczasowej konserwacji i nie rejestrował danych naukowych.
Złączenie się podwójnej czarnej dziury, które spowodowało sygnał fal grawitacyjnych, miało miejsce w stosunkowo niewielkiej odległości. Odległość ta wynosiła zaledwie około 700 milionów lat świetlnych, co sprawia, że jest to prawdopodobnie najbliższe tego typu zdarzenie, jakie kiedykolwiek zaobserwowano. Ponieważ miało ono miejsce w pobliżu, zostało wykryte bardzo wyraźnie. Tylko dwa inne sygnały zaobserwowane do tej pory są „głośniejsze”: niedawno opublikowane GW230814 i GW250114.
Wyraźnie zaobserwowane fale grawitacyjne zawierają informacje o poszczególnych czarnych dziurach. Analiza danych LVK wykazała, że większa czarna dziura waży około 20 razy więcej niż nasze Słońce, podczas gdy mniejsza czarna dziura waży około 6 razy więcej niż Słońce. To nierównomierne rozłożenie masy sprawia, że para ta jest wyjątkowa, ponieważ większość układów podwójnych składa się z czarnych dziur o niemal równej masie.
Drugie zdarzenie, GW241110, zostało wykryte zarówno przez instrumenty LIGO, jak i Virgo 10 listopada 2024 r., prawie dokładnie miesiąc po pierwszym zdarzeniu. Jego źródłem było połączenie czarnych dziur trzy razy dalej niż sygnał z października. Sygnał pochodzący z odległości około 2,4 miliarda lat świetlnych nie był tak wyraźny. Jednak jego źródłem jest podobna para czarnych dziur o nierównych masach, odpowiednio 17 i 8 razy większych od masy Słońca.
– Na pierwszy rzut oka te dwie pary czarnych dziur wyglądają prawie jak dwie krople wody. Jednak po bliższym przyjrzeniu się można dostrzec kilka uderzających różnic, na przykład w sposobie ich obrotu – powiedział Frank Ohme, lider niezależnej grupy badawczej Maxa Plancka w AEI w Hanowerze.
W parze czarnych dziur, które wyemitowały GW241011, zespół LVK odkrył, że cięższa czarna dziura była jedną z najszybciej obracających się czarnych dziur obserwowanych do tej pory, obracając się z prędkością co najmniej 70% maksymalnej możliwej wartości. Co więcej, obracała się ona wokół osi nachylonej o 20 do 40 stopni od osi, wokół której orbitują dwie czarne dziury.
– Innymi słowy, równik cięższej czarnej dziury w układzie podwójnym, który wywołał GW241011, nie leżał w tej samej płaszczyźnie co orbita obu czarnych dziur. Jest to podobne do nachylenia osi obrotu Ziemi lub Marsa podczas ich orbity wokół Słońca, ale nieco nieoczekiwane w przypadku czarnej dziury – powiedział Karsten Danzmann, dyrektor AEI w Hanowerze.
Cięższa czarna dziura w układzie podwójnym, która spowodowała GW241110, jest ponownie zupełnie inna. Jej oś obrotu była nachylona o co najmniej 90 stopni, a być może nawet o 180 stopni, w stosunku do osi, wokół której orbitują dwie czarne dziury. Oznacza to, że jej oś obrotu leżała w płaszczyźnie orbity układu podwójnego, a nawet była skierowana w dół. Jest to podobne do osi obrotu planet Uran i Wenus w naszym Układzie Słonecznym.
Obecnie nie jest jasne, czy niepodobne bliźniaki GW241011 i GW241110 są powszechnymi członkami populacji czarnych dziur w naszym Wszechświecie, czy też są pierwszymi okazami nowej podgrupy czarnych dziur. Jak dotąd w pełni przeanalizowano i opublikowano tylko pierwszą część czwartej wspólnej serii obserwacji LVK. Być może czeka nas jeszcze więcej niespodzianek.
Źródło: Max Planck Institute
Czytaj też: Na długo przed ludźmi owady poleciały w kosmos?
Grafika tytułowa: Donald Giannatti / Unsplash
