Czarne dziury drugiej generacji obserwowane przez detektory LIGO, Virgo i KAGRA

Na ilustracji: Wizualizacja – łączenie się (fuzja) czarnych dziur o różnych masach (ChatGPT/DALL·E, OpenAI).

W artykule niedawno opublikowanym w czasopiśmie The Astrophysical Journal Letters międzynarodowa grupa badawcza projektu LIGO–Virgo–KAGRA donosi o wykryciu dwóch przypadków zdarzeń prowadzących do emisji fal grawitacyjnych wyróżniających się nietypowymi spinami uczestniczących w nich czarnych dziur. Obserwacje te stanowią istotny krok naprzód w badaniach jednych z najbardziej nieuchwytnych zjawisk zachodzących we Wszechświecie.

Fale grawitacyjne to swoiste „zmarszczki” w czasoprzestrzeni, powstające w wyniku potężnych, kataklizmicznych zdarzeń zachodzących w głębokim kosmosie. Najsilniejsze z nich generują zderzenia czarnych dziur. Dzięki zaawansowanym algorytmom i modelom matematycznym naukowcy potrafią odtworzyć wiele właściwości tych łączących się ze sobą obiektów — w tym ich masy, odległości od Ziemi, a nawet prędkości oraz kierunki obrotu wokół własnej osi, czyli tak zwane spiny czarnych dziur — wyłącznie na podstawie docierających do nas z ich otoczenia sygnałów grawitacyjnych

Pierwszą z tych fuzji, GW241011, zaobserwowano 11 października 2024 roku. Zjawisko miało miejsce około 700 milionów lat świetlnych od Ziemi i było wynikiem połączenia czarnych dziur o masach odpowiednio około 17 i 7 mas Słońca. Większa z nich okazała się jedną z najszybciej rotujących czarnych dziur, jakie dotąd wykryto. Niespełna miesiąc później, 10 listopada, zarejestrowano kolejne zdarzenie — GW241110 — zachodzące w odległości około 2,4 miliarda lat świetlnych. Tym razem zderzyły się dwa obiekty o masach szacowanych na 16 i 8 mas Słońca. Co istotne, główna czarna dziura w tym układzie wyraźnie wiruje w kierunku przeciwnym do kierunku swojego ruchu orbitalnego. To pierwszy tak wyraźny przypadek w historii detekcji fal grawitacyjnych.

Jeszcze ciekawsze jest to, że oba zaobserwowane zdarzenia sugerują istnienie czarnych dziur „drugiej generacji”. GW241011 i GW241110 należą do najbardziej nietypowych przypadków spośród kilkuset dotąd zarejestrowanych przez sieć detektorów LIGO–Virgo–KAGRA. W każdym z tych układów występuje jedna czarna dziura wyraźnie masywniejsza od swojej towarzyszki i charakteryzująca się bardzo szybkim ruchem obrotowym. To intrygująca wskazówka, że i one mogły powstać w wyniku wcześniejszych połączeń czarnych dziur, czyli same w sobie są już produktami wcześniejszych fuzji. Naukowcy zwracają tu uwagę na kilka poszlak, w tym znaczącą różnicę mas między czarnymi dziurami obecnymi w obu układach (większe miały masy stanowiące niemal dwukrotność mas mniejszych) i charakterystyczną orientację spinów większych z nich. Najbardziej naturalnym wyjaśnieniem takich obserwacji jest właśnie to, że są one rezultatem hierarchicznego łączenia, czyli powtarzających się fuzji obiektów zachodzących sekwencyjnie po sobie. Proces ten najłatwiej zachodzi w wyjątkowo gęstych obszarach kosmosu, takich jak gromady gwiazd, gdzie czarne dziury często wchodzą w bliskie interakcje i mają większą szansę na wielokrotne zderzenia.