Naukowcy rozwiązują zagadkę „niemożliwego” łączenia się „zakazanych” czarnych dziur

redakcja@echobiznesu.pl

wyświetleń 9mins 0 opinii

Naukowcy rozwiązują zagadkę „niemożliwego” łączenia się „zakazanych” czarnych dziur

Naukowcy dotarli do sedna zagadki „niemożliwego” połączenia czarnych dziur, które wykryto w 2023 roku poprzez zmarszczki w czasoprzestrzeni zwane falami grawitacyjnymi.

Zderzenie miało miejsce w odległości około 7 miliardów lat świetlnych od nas i obejmowało zderzenie dwóch gwiazd czarne dziury wydawało się to zabronione ze względu na ich ogromne masy i niewiarygodną prędkość wirowania.

Te czarne dziury – o masach 100 i 140 razy większych niż słońcei wiruje w pobliżu prędkość światła — nie powinna istnieć zgodnie z obecnymi teoriami dotyczącymi powstawania „czarnych dziur o masie gwiazdowej”, gdy masywne gwiazdy zapadają się i eksplodują w wyniku supernowe.

Kadr z symulacji łączenia się „niemożliwych” czarnych dziur. (Zdjęcie: Fundacja Ore Gottlieba/Simonsa)

Naukowcy z Centrum Astrofizyki Obliczeniowej (CCA) Instytutu Flatiron w Nowym Jorku uporali się z tą zagadką, przeprowadzając symulacje, które odtworzyły ewolucję tego układu przez życie przodka gwiazdyaż do śmierci w wyniku supernowej. Ujawniło to prosty czynnik, który nie został wcześniej odpowiednio uwzględniony w procesie: pola magnetyczne.

fale grawitacyjne pochodzące z tego zderzenia „zakazanych” czarnych dziur zostały „usłyszane” przez ziemskie detektory LIGOVirgo i KAGRA 23 listopada 2023 r. jako Space.com odnotowano w lipcu tego roku. Analizując ten sygnał, oznaczony jako GW231123, astronomów od razu zaskoczyło istnienie tak masywnych i szybko wirujących czarnych dziur.

Dzieje się tak dlatego, że gwiazdy, które mogłyby umrzeć, pozostawiając po sobie czarne dziury o masie gwiazdowej tak masywne, powinny zakończyć swoje życie specyficznym typem supernowej zwanej „supernową niestabilności par”, która jest tak gwałtowna, że nie pozostaje nic, nawet czarna dziura. „Nie spodziewamy się, że w wyniku tych supernowych czarne dziury uformują się o masie od około 70 do 140 mas Słońca” – wyjaśnił Gottlieb. „Dlatego zastanawiające było zobaczenie czarnych dziur z masami wewnątrz tej szczeliny”.

Czarne dziury mogą istnieć w tej luce masowej w wyniku poprzedniej łączenie się czarnych dziurale badacze wykluczyli to w przypadku czarnych dziur biorących udział w zderzeniu, które wysłało sygnał GW231123 rozchodzący się w przestrzeni. Dzieje się tak dlatego, że fuzje zakłócają obrót utworzonej „córki” czarnej dziury, ale dwie czarne dziury biorące udział w tym łączeniu nadal wirowały z prędkością bliską prędkości światła, z maksymalną prędkością, z jaką mogą się obracać czarne dziury. W związku z tym badacze doszli do wniosku, że za ogromne masy przodków czarnych dziur musi odpowiadać coś innego niż wcześniejsze połączenia.

Gottlieb i współpracownicy zaczęli badać, na czym może polegać ten mechanizm, najpierw symulując gigantyczną gwiazdę o masie około 250 mas Słońca, którą śledzili przez jej ewolucję aż do śmierci jako supernowa. Odkryli, że na tym etapie końcowym gwiazda spaliła tak dużo paliwa, że „schudła” do 150 mas Słońca. To sprawiło, że była na tyle mała, że po przejściu w supernową mogła pozostawić po sobie czarną dziurę.

Następnie zespół przeprowadził kolejną, bardziej złożoną symulację, biorąc pod uwagę pola magnetyczne, które odgrywają rolę w następstwie supernowej. Ten drugi model rozpoczął się od pozostałości supernowych w kształcie obłoku pozostałej materii gwiezdnej splecionej z polami magnetycznymi. W sercu tego wraku znajdowała się czarna dziura. Przed tymi badaniami naukowcy zakładali, że cała masa tej pozostałości materiału zostanie pochłonięta przez nowonarodzoną czarną dziurę. W rezultacie masa tej czarnej dziury wzrosłaby do masy masywnej gwiazdy progenitorowej. Symulacje przeprowadzone przez zespół wykazały jednak, że dzieje się coś innego.

Diagram pokazuje, jak dwa

Diagram pokazuje, jak można uformować dwie „zakazane” czarne dziury, aby później połączyć się i stworzyć „niemożliwą” kolizję czarnych dziur. (Zdjęcie: Lucy Reading-Ikkanda/Fundacja Simonsa)

Zamiast tego Gottlieb i współpracownicy zaobserwowali, że po zapadnięciu się nierotującej gwiazdy w czarną dziurę pozostała materia rzeczywiście szybko wpada do czarnej dziury. Jeśli jednak gwiazda przodek wiruje szybko, ten gwiezdny wrak tworzy wokół nowonarodzonej czarnej dziury obracającą się, spłaszczoną chmurę, która powoduje, że wiruje ona coraz szybciej w miarę dostarczania do niej coraz większej ilości materii. W obecności pól magnetycznych dysk szczątków podlega ciśnieniu wystarczająco silnemu, aby wyrzucić część pozostałej materii z czarnej dziury z prędkością bliską prędkości światła.

Ten wypływ materiału zmniejsza masę dysku zasilającego czarną dziurę, a im silniejsze są zaangażowane pola magnetyczne, tym szybciej ten talerz materiału gwiezdnego jest unoszony z czarnej dziury. Jeśli pola magnetyczne są wystarczająco silne, połowa początkowej masy gwiazdy może zostać wyrzucona w powietrze. Wynik końcowy: słabe pole magnetyczne powoduje mniejsze pozbawienie materii i ostatecznie czarną dziurę znajdującą się w szczelinie masowej.

„Odkryliśmy, że obecność rotacji i pól magnetycznych może zasadniczo zmienić ewolucję gwiazdy po zapadnięciu się, powodując, że masa czarnej dziury jest potencjalnie znacznie mniejsza niż całkowita masa zapadającej się gwiazdy” – powiedział Gottlieb.

Oprócz rozwiązania zagadki tego „niemożliwego” połączenia, symulacje zespołu sugerują związek między masą czarnej dziury a prędkością jej wirowania wynikającą z siły otaczających ją pól magnetycznych. Silne pola magnetyczne mogą skutkować powstaniem lżejszych i wolniej wirujących czarnych dziur, podczas gdy słabsze pola magnetyczne mogą skutkować powstaniem masywniejszych i szybciej wirujących czarnych dziur.

Badania mogą również zasugerować astronomom możliwość przetestowania tego połączenia. Zespół odkrył, że powstawanie tych czarnych dziur z przerwami masowymi jest powiązane z rozbłyskami promieni gamma, które są wykrywalne. Jeśli takie odkrycie zostanie dokonane, naukowcy zrobią ogromny krok naprzód w zrozumieniu czarnych dziur.