Astronomowie odkryli niezwykłe zjawisko. Dzięki falom grawitacyjnym udało się po raz pierwszy zarejestrować sygnał katastrofy na prawdziwie kosmiczną skalę. W badaniach, w których dużą rolę odgrywali naukowcy z Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Warszawskiego, po raz pierwszy zaobserwowano, jak czarna dziura połyka gwiazdę neutronową.
Czarne dziury i gwiazdy neutronowe to bardzo osobliwe obiekty. Gwiazdy neutronowe są najgęstszymi stabilnymi obiektami we Wszechświecie, pozostałościami po gwiazdach. Są mniej więcej tak masywne jak Słońce, ale mają tylko kilkadziesiąt kilometrów średnicy. Z kolei czarne dziury to obszary czasoprzestrzeni z grawitacją tak silną, że uniemożliwiają ucieczkę nawet światłu. Występują w różnych rozmiarach, a ich masy mogą wahać się od kilku do nawet wielu milionów mas Słońca.
Czarna dziura i gwiazda neutronowa w parze odkryte po raz pierwszy
Występowanie tych obiektów w parach to niezwykła rzadkość. Pierwszą parę gwiazd neutronowych zaobserwowano na Drodze Mlecznej w 1974 roku. Obserwowano wtedy przy użyciu radioteleskopów tak zwane pulsary, czyli obracające się gwiazdy neutronowe, emitujące wiązkę promieniowania radiowego.
Istnienie par czarnych dziur o masach gwiazdowych też jest potwierdzone. Udało się tego dokonać przy pomocy fal grawitacyjnych. Problemem nadal były jednak mieszane układy podwójne, złożone z obu tych ciał. Od dziesięcioleci przewidywano istnienie takich układów, ale dopiero kilkanaście miesięcy temu udało się zaobserwować je po raz pierwszy, w sposób niebudzący wątpliwości.
Profesor Tomasz Bulik z Obserwatorium Astronomicznego UW mówi, że „do tej pory można było zaobserwować fale grawitacyjne, które pochodziły wyłącznie z połączenia dwóch czarnych dziur albo dwóch gwiazd neutronowych. Układ mieszany został zarejestrowany po raz pierwszy, choć już od dwudziestu lat razem z profesorem Krzysztofem Belczyńskim przewidywaliśmy taki scenariusz”.
5 stycznia 2020 roku jeden z detektorów Advanced Ligo, znajdujący się w Luizjanie w USA oraz detektor Advanced Virgo we Włoszech, zarejestrowały fale grawitacyjne, które pochodziły z nieznanego dotąd obiektu. Po analizie stwierdzono, że sygnał został wyemitowany przez układ, w którym wirujące wokół siebie gwiazda neutronowa i czarna dziura połączyły się w jeden zwarty obiekt. Astronomowie mieli okazję być świadkami kilku ostatnich orbit przed połączeniem. Dziesięć dni później wykryto sygnał od podobnego układu podwójnego. Oba układy nazwano odpowiednio GW200105 i GW200115.
Profesor Dorota Rosińska z Obserwatorium Astronomicznego UW wyjaśnia, że „od momentu pierwszej spektakularnej detekcji fal grawitacyjnych z połączenia dwóch czarnych dziur GW150914, za którą została przyznana nagroda Nobla w 2017 roku, zarejestrowaliśmy sygnały z pięćdziesięciu układów podwójnych obiektów zwartych, ale były to wyłącznie pary łączących się czarnych dziur lub gwiazd neutronowych”.
Z obliczeń naukowców wynika, że w układzie w GW200105 czarna dziura miała masę 8,9 masy Słońca, a gwiazda neutronowa 1,9 masy Słońca. Oba obiekty połączyły się około 900 milionów lat temu, a sygnał z tego zdarzenia teraz dotarł do nas. Z kolei w przypadku układu GW200115 masy wynoszą odpowiednio 5,7 masy słońca dla czarnej dziury oraz 1,5 razy więcej niż masa Słońca dla gwiazdy neutronowej. Te z kolei obiekty połączyły się prawie miliard lat temu. W obu tych przypadkach masywniejsze obiekty pasują do przedziału przewidywanego w teorii ewolucji gwiazd dla czarnych dziur, a te o mniejszych masach pasują do przewidywań dla gwiazd neutronowych.
Czy czarna dziura połączona z gwiazdą neutronową emituje PEM?
Poza sygnałem fal grawitacyjnych, połączenie czarnej dziury z gwiazdą neutronową może skutkować także emisją promieniowania elektromagnetycznego. Nie udało się jeszcze tego zaobserwować z powodu zbyt dużej odległości od źródeł i małej dokładności wyznaczenia pozycji na niebie. Badacze mają jednak nadzieję, że w przyszłości uda się takie promieniowanie zarejestrować. Poruszaliśmy już takie tematy na naszym blogu, m.in. w tekście „Czy czarne dziury promieniują?”.
Odkrycia, w których uczestniczyli astronomowie z UW dają nowy pogląd na narodziny, życie i śmierć gwiazd, jak również na otoczenie, w którym powstały. Profesor Rosińska wyjaśnia, że naukowcy spodziewali się, iż „podczas koalescencji gwiazdy neutronowej z czarną dziurą, gwiazda zostanie rozerwana przez siły pływowe, gdy znajdzie się dostatecznie blisko czarnej dziury, jednak duża różnica mas obiektów spowodowała, że prawdopodobnie gwiazda neutronowa została połknięta w całości przez czarną dziurę”. We wszechświecie jest jeszcze masa tajemnic do odkrycia, pisaliśmy o tym na przykład w tekście „W Drodze Mlecznej mogą znajdować się antygwiazdy”.
Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie „The Astrophysical Journal Letters”. W składzie międzynarodowego zespołu badawczego byli astronomowie z Uniwersytetu Warszawskiego: prof. Dorota Rosińska, prof. Tomasz Bulik, dr Przemysław Figura, dr Bartosz Idzikowski oraz doktoranci Małgorzata Curyło, Neha Singh, Paweł Szewczyk.
Źródła: Nauka w Polsce PAP, Obserwatorium Astronomiczne UW, Uniwersytet Warszawski, CNES i The Astrophysical Journal Letters