Kiedy czarne dziury zderzają się we wszechświecie, zderzenie to wstrząsa przestrzenią i czasem: ilość energii uwolnionej podczas zderzenia jest tak duża, że powoduje oscylację czasoprzestrzeni, podobną do fal na powierzchni wody. Te fale grawitacyjne rozprzestrzeniają się po całym wszechświecie i nadal można je mierzyć w odległości tysięcy lat świetlnych, tak jak miało to miejsce 21 maja 2019 r., kiedy dwa obserwatoria fal grawitacyjnych LIGO (USA) i Virgo (Włochy) zarejestrowały taki sygnał. Nazwana GW190521 od daty jej odkrycia, fala grawitacyjna od tego czasu wywołała dyskusję wśród ekspertów, ponieważ znacznie różni się od wcześniej zmierzonych sygnałów.
Sygnał został początkowo zinterpretowany jako oznaczający, że zderzenie obejmowało dwie czarne dziury poruszające się po prawie kołowych orbitach wokół siebie. „Takie układy podwójne mogą powstać w wyniku szeregu procesów astrofizycznych” — wyjaśnia prof. Sebastiano Bernuzzi, fizyk teoretyk z Uniwersytetu w Jenie w Niemczech. Większość czarnych dziur odkrytych na przykład przez LIGO i Virgo ma pochodzenie gwiezdne. „Oznacza to, że są pozostałościami masywnych gwiazd w układach podwójnych” – dodaje Bernuzzi, który kierował obecnymi badaniami. Takie czarne dziury krążą wokół siebie po quasi-kolistych orbitach, tak jak poprzednio oryginalne gwiazdy.
Jedna czarna dziura przechwytuje drugą
„GW190521 zachowuje się jednak znacząco inaczej” – wyjaśnia Rossella Gamba. Główna autorka publikacji robi doktorat w Jena Research Training Group 2522 i jest częścią zespołu Bernuzziego. „Jego morfologia i struktura podobna do eksplozji bardzo różnią się od poprzednich obserwacji”. Tak więc Rossella Gamba i jej współpracownicy postanowili znaleźć alternatywne wyjaśnienie niezwykłego sygnału fali grawitacyjnej. Korzystając z połączenia najnowocześniejszych metod analitycznych i symulacji numerycznych na superkomputerach, obliczyli różne modele kosmicznej kolizji. Doszli do wniosku, że musiało to nastąpić na silnie ekscentrycznej ścieżce, a nie quasi-kolistej. Czarna dziura początkowo porusza się swobodnie w środowisku, które jest stosunkowo gęsto wypełnione materią, a gdy tylko zbliży się do innej czarnej dziury, może zostać „przechwycona” przez pole grawitacyjne drugiej osoby. Prowadzi to również do powstania układu podwójnego, ale tutaj dwie czarne dziury nie krążą po okręgu, ale poruszają się mimośrodowo, ruchem kołowym wokół siebie.
“Taki scenariusz wyjaśnia obserwacje znacznie lepiej niż jakakolwiek inna hipoteza przedstawiona do tej pory. Prawdopodobieństwo wynosi 1:4300” – mówi Matteo Breschi, doktorant i współautor badania, który opracował infrastrukturę do analizy. A badacz z tytułem doktora, dr Gregorio Carullo, dodaje: „Chociaż obecnie nie wiemy dokładnie, jak powszechne są takie dynamiczne ruchy czarnych dziur, nie spodziewamy się, że będą one częstym zjawiskiem”. To sprawia, że obecne wyniki są jeszcze bardziej ekscytujące – dodaje. Niemniej jednak potrzebne są dalsze badania, aby ponad wszelką wątpliwość wyjaśnić procesy, które stworzyły GW190521.
Praca zespołowa w Research Training Group
Na potrzeby obecnego projektu zespoły w Turynie i Jenie (w ramach finansowanej przez Niemiecką Fundację Badawczą Jena Research Training Group 2522 „Dynamics and Criticality in Quantum and Gravitational Systems”) opracowały ogólne relatywistyczne ramy ekscentrycznego łączenia czarnych dziur i zweryfikował przewidywania analityczne za pomocą symulacji równań Einsteina. Po raz pierwszy w analizie danych z obserwacji fal grawitacyjnych wykorzystano modele zderzeń dynamicznych.
Źródło historii:
Materiały dostarczone przez Friedrich-Schiller-Universitaet Jena. Oryginał napisany przez Ute Schönfelder. Uwaga: treść może być edytowana pod kątem stylu i długości.