Nowa metoda może ujawnić ukryte podwójne supermasywne czarne dziury
Podwójne supermasywne czarne dziury są naturalnym skutkiem zderzeń i łączenia się galaktyk. Mimo to astronomowie potwierdzili dotąd zaledwie kilka takich układów – i to takich, w których składniki dzieli ogromna odległość. Bliskich, ciasno orbitujących par wciąż nie udało się jednoznacznie zmierzyć.
Zespół badaczy proponuje jednak nową metodę ich wykrywania. W pracy opublikowanej na łamach Physical Review Letters sugerują oni, by szukać powtarzających się rozbłysków światła pojedynczych gwiazd znajdujących się za takimi układami. Źródłem sygnału ma być soczewkowanie grawitacyjne – chwilowe, silne powiększenie światła wywołane przez pole grawitacyjne orbitujących wokół siebie czarnych dziur.
Supermasywne czarne dziury rezydują w centrach większości galaktyk. Gdy dwie galaktyki się łączą, ich centralne obiekty tworzą związany układ podwójny – jedno z najpotężniejszych źródeł fal grawitacyjnych we Wszechświecie. Przyszłe misje, takie jak LISA, mają bezpośrednio rejestrować fale grawitacyjne z takich systemów. Autorzy nowej pracy przekonują jednak, że pierwsze sygnały można wychwycić już dziś metodami elektromagnetycznymi.
Jak wyjaśnia Miguel Zumalacárregui z Max Planck Institute for Gravitational Physics, ogromna masa i niewielkie rozmiary czarnych dziur sprawiają, że silnie zakrzywiają one światło – działają niczym kosmiczne soczewki. W przypadku pojedynczej czarnej dziury efekt jest rzadki i wymaga niemal idealnego ustawienia gwiazdy względem obserwatora. Jednak para czarnych dziur tworzy znacznie bardziej złożoną strukturę soczewkowania – tzw. krzywą kaustyczną – która zwiększa szanse na spektakularne wzmocnienie światła.
Kluczowa różnica polega na tym, że układ podwójny nie jest statyczny. Orbitujące czarne dziury tracą energię poprzez emisję fal grawitacyjnych, zbliżają się do siebie, a ich ruch stopniowo przyspiesza. W efekcie krzywa kaustyczna obraca się i „zamiata” przestrzeń za układem. Jeśli znajdzie się tam jasna gwiazda, może ona wielokrotnie rozbłysnąć – za każdym razem, gdy struktura soczewkująca przejdzie przez linię widzenia.
Takie powtarzające się błyski stanowiłyby wyraźny podpis istnienia ciasnego układu podwójnego. Co więcej, ich jasność i odstępy czasowe niosą informacje o masach czarnych dziur oraz tempie kurczenia się orbity. Choć pojedynczy układ może dać się obserwować przez lata, pełną ewolucję da się odtworzyć, porównując wiele systemów uchwyconych na różnych etapach zbliżania.
Szanse na wykrycie takich sygnałów wzrosną wraz z uruchomieniem teleskopów szerokiego pola, takich jak Vera C. Rubin Observatory oraz Nancy Grace Roman Space Telescope. Ich zdolność do monitorowania ogromnych obszarów nieba zwiększy prawdopodobieństwo uchwycenia rzadkich, lecz charakterystycznych rozbłysków.
Jeśli metoda się sprawdzi, astronomowie zyskają możliwość identyfikowania spiralujących ku sobie supermasywnych czarnych dziur na długo przed startem kosmicznych detektorów fal grawitacyjnych. Otworzy to drogę do prawdziwie „wielonośnikowych” badań czarnych dziur – łączących obserwacje światła i fal grawitacyjnych – oraz do nowych testów teorii grawitacji w ekstremalnych warunkach.
Źródło: Max Planck Institute
Czytaj też: Naukowcy śledzą przemianę gwiazdy w czarną dziurę
Grafika tytułowa: NASA / Unsplash
