W niniejszym artykule opisujemy koncepcję powiększania małych czarnych dziur, która obejmuje karmienie się resztkami supermasywnych czarnych dziur.
W zeszłym roku trzej amerykańscy fizycy podzielili się Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki za swoją rolę w historycznym fakcie wykrycia fal grawitacyjnych. Sygnały pochodziły z kosmicznych zmarszczek w czasoprzestrzeni tworzonych przez niektóre z najbardziej gwałtownych wydarzeń we wszechświecie: zderzające się ze sobą czarne dziury.
Teraz zaś naukowcy odkryli sześć sygnałów fal grawitacyjnych – pięć z połączonych par czarnych dziur o masie gwiazdowej (tzw. gwiazdowe czarne dziury – czarne dziury powstające w wyniku kolapsu grawitacyjnego masywnej gwiazdy o masie większej niż ok. 20 M☉) i jeden sygnał pochodzący z łączącej się pary gwiazd neutronowych. Dziwnym jednak jest fakt, iż większość czarnych dziur o masie gwiazdowej była ponad 20 razy większa niż Słońce. Czarne dziury które powstają, gdy masywne gwiazdy zapadają się, zazwyczaj osiągają bowiem masę od 10 do 15 mas Słońca.
Jak więc te stosunkowo małe czarne dziury powiększyły się przed połączeniem?
W przeszłości naukowcy podejrzewali, że czarne dziury powiększały się, ponieważ zaczynały swoje życie jako olbrzymie gwiazdy z bardzo małą ilością metali (pierwiastków) – oprócz wodoru i helu. Ponieważ gwiazdy o niskiej metaliczności wytwarzają słabe wiatry słoneczne, zatrzymują większość swojej masy zanim zapadną się w czarne dziury.
Jednak zgodnie z nowym badaniem opublikowanym w Astrophysical Journal Letters, może istnieć więcej niż jeden sposób na stworzenie czarnej dziury – i nie obejmuje on gwiazd o niskiej zawartości metali.
Zamiast tego autorzy opisują sposób, w jaki przeciętna czarna dziura o masie gwiazdowej może rosnąć, pochłaniając materiał krążący nad supermasywną czarną dziurą galaktyki. Co więcej, ten nowy mechanizm może również przewidywać świeże źródła fal grawitacyjnych.
Dyski spiralne
Astronomowie wiedzą, że większość dużych galaktyk zawiera supermasywne czarne dziury w swoich centrach. Wiele z tych czarnych dziur pozostaje uśpionych przez większość ich życia, gromadząc małą materię i produkując niewiele światła.
Jednak niektóre supermasywne czarne dziury są otoczone gęstym dyskiem gazu i pyłu, które wciągają razem, gdy wirują one w kierunku do wewnątrz: właśnie w kierunku supermasywnej czarnej dziury. Ten wirujący dysk wytwarza niewiarygodne ilości tarcia, które to powoduje z kolei, że materiał wewnątrz niego jasno świeci. Jeśli te promienne dyski są szczególnie jasne, astronomowie nazywają je aktywnymi jądrami galaktycznymi (AGN).
Tuż za tymi chaotycznymi dyskami są jednak liczne gwiazdy – z których wiele ostatecznie przekształci się w czarne, dziury o masie gwiazdowej.
Zgodnie z nowym badaniem para omawianych bliskich czarnych dziur o masie gwiazdowej może zostać uwięziona w dysku AGN. Kiedy tak się dzieje, czarne dziury żywią się dostępną materią zanim ostatecznie się połączą, zbliżając się coraz bardziej i rosnąc od około 7 do ponad 20 mas Słońca.
Sygnał fali grawitacyjnej generowany przez takie połączenie wskazywałby, że dwie czarne dziury miały masę około 20 mas Słońca, mimo że obie początkowo były znacznie mniejsze.
Fale grawitacyjne
Fale grawitacyjne są wytwarzane przez połączenie dwóch niezwykle gęstych obiektów, takich jak czarne dziury lub gwiazdy neutronowe. Powoduje to powstawanie zmarszczek w czasoprzestrzeni, które rozprzestrzeniają się na zewnątrz z prędkością światła.
Astronomia wielu wiadomości
Ciekawą wytłumaczeniem tej nowo proponowanej metody tworzenia czarnych dziur w masie gwiazdowej jest to, że ich środowisko często może powodować synchronizację ich osi spinowych, jak dwa wirujące razem wierzchołki. Według badań, takie systemy uwalniają około 10% swojej energii jako fale grawitacyjne, kiedy łączą się. To aż trzy razy więcej energii fal grawitacyjnych, niż byłoby uwolnione, gdyby czarne dziury były losowo zorientowane, co oznacza, że te połączenia są prawdopodobnie wykrywalne z obecną technologią, taką jak interferometr laserowy Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO).
Autorzy twierdzą również, że takie czarne dziury prawdopodobnie emitowałyby duże ilości promieni X, gamma lub nawet fal radiowych. Te długości fal mogłyby zapewnić elektromagnetyczny odpowiednik sygnału fal grawitacyjnych, ujawniając ważne szczegóły, które w przeciwnym razie mogłyby zostać ukryte.
W ubiegłym roku astronomowie zdołali to zrobić, gdy zaobserwowali fale grawitacyjne i gamma będące źródłem połączenia dwóch gwiazd neutronowych. W tym czasie astronom Josh Simon z Carnegie Observatories mówił o wykrywaniu gwiazd neutronowych:
Są rzeczy, które można odkryć za pomocą fal grawitacyjnych, których nigdy nie można było zobaczyć za pomocą światła elektromagnetycznego i vice versa. Posiadanie tej kombinacji powinno dostarczyć nam wglądu w te obiekty.
Co dalej?
Czy ta nowo opracowana metoda tworzenia czarnych dziur w masie gwiazdowej tłumaczy wyjątkowe detekcje LIGO, czy też odpowiedzialne są gwiazdy o niskiej zawartości metali? A może to połączenie obu zjawisk? W tym momencie nie wiemy na pewno.
Jednak LIGO i jej siostrzany detektor Virgo są obecnie w trakcie planowanych modernizacji i powinny zacząć ponowne detekcje na początku roku 2019. Wtedy astronomowie zaczną polować na sygnały fal grawitacyjnych, które mogą być połączone z obserwacjami elektromagnetycznymi. Takie detekcje wielu komunikatów będą prawdopodobnie kluczowe dla przyszłości astronomii, więc radzimy pozostawać na bieżąco.
Źródło, foto: Astronomy.com
