14 lutego 2021

Czy właśnie widzieliśmy dwie łączące się czarne dziury?

Kiedy zderzają się dwa zwarte obiekty, takie jak czarne dziury lub gwiazdy neutronowe, emitują fale grawitacyjne. Szczególnie w przypadku gwiazd neutronowych falom grawitacyjnym może towarzyszyć promieniowanie pochodzące z materii wyrzuconej podczas połączenia. Z drugiej strony, ponieważ ani światło, ani materia nie mogą uciec z czarnej dziury, nie spodziewamy się, że łączące się czarne dziury będą emitować promieniowanie. Jednak wspominany artykuł donosi, że jeżeli warunki są sprzyjające, łączące się czarne dziury również mogą emitować światło.


Ale w jaki sposób czarne dziury mogą emitować światło?
Światło nie pochodzi od czarnych dziur, ale z otaczającej je materii. Kiedy łączą się dwie czarne dziury o różnych masach, powstałe fale grawitacyjne przenoszą pęd z układu. Aby zachować pęd liniowy, nowo utworzona czarna dziura doświadcza „kopnięcia” odrzutu, przyspieszającego ją do dużych prędkości (ok. 200 km/s). Jeżeli czarna dziura jest otoczona dużymi ilościami gazu, ogrzewa ten gaz, gdy w nim przyspiesza. Ten gorący gaz może następnie emitować światło przez okres do trzech miesięcy po przejściu przez niego czarnej dziury.

Gdzie możemy znaleźć „świecące” połączenia czarnych dziur?
Aktywne galaktyki to specjalne galaktyki, które w swoich centrach kryją supermasywne czarne dziury. Centra te nazywane są aktywnymi jądrami galaktyk (AGN) i są idealnymi miejscami do takich połączeń. Supermasywne czarne dziury w AGN zbierają na sobie ogromne ilości otaczającej materii. To tworzy duży, gęsty dysk akrecyjny wokół supermasywnej czarnej dziury. Promień tego dysku wynosi około 0,01 parseka (około tysiąckrotna odległość Ziemia – Słońce). Dysk ten zawiera dużą ilość gazu i pyłu, a także gwiazd, a nawet czarnych dziur. Jeżeli dwie czarne dziury połączą się w takim dysku, spodziewamy się ujrzeć światło z połączenia w procesie opisanym powyżej. Okazuje się, że emisja rozpocznie się kilka tygodni po połączeniu i potrwa około trzech miesięcy.

Śledzenie światła łączących się czarnych dziur
Autorzy artykułu postanowili polować na taką emisję z AGN. Skoncentrowali się na wszystkich połączeniach czarnych dziur, które zostały wykryte przez LIGO podczas O3a – biegu obserwacyjnego między kwietniem a wrześniem 2019 roku. Dla każdego połączenia zidentyfikowali galaktyki z katalogu AGN zgodne z pozycją połączenia, którą raportowało LIGO. Następnie wykorzystali dane z Zwicky Transient Facility (ZTF) – teleskopu optycznego, który każdej nocy monitoruje całe niebo północne – aby sprawdzić, czy jasność któregokolwiek z tych AGN znacznie wzrosła w tym czasie. I znaleźli taki AGN, J124942.3+344929, który pojaśniał zaledwie 34 dni po tym, jak LIGO wykrył połączenie się czarnych dziur S190521g. Ten rozbłysk jasności trwał przez 80 dni, po czym obiekt powrócił do swojej początkowej jasności – jest to zachowanie oczekiwane w przypadku rozbłysków łączących się z czarnymi dziurami.

Czy jesteśmy pewni, że rozbłysk jest spowodowany łączącymi się czarnymi dziurami?
Nie bardzo. Wiadomo, że AGN wykazują wewnętrzne losowe fluktuacje w ich jasności, np. kiedy centralna czarna dziura połyka otaczającą materię. Autorzy pracy przeprowadzili analizę statystyczną, aby wykazać, że prawdopodobieństwo zaobserwowanej flary będącej wynikiem losowej zmiany AGN jest mniejsza niż 5 na milion. Jest również możliwe, że rozbłysk ten może być wywołany czymś w rodzaju eksplozji supernowej w dysku AGN. Jednak eksplozje takie stają się z czasem zimniejsze, powodując, że ich obserwowany kolor robi się bardziej czerwony. Ale obserwowany obiekt pozostawał mniej więcej w tym samym kolorze, co sugeruje, że temperatura pozostała stała, a to wyklucza możliwe pochodzenie od supernowej. Tak więc, chociaż prawdziwa natura tego rozbłysku nadal pozostaje tajemnicą, jest prawdopodobne, że została wywołana zderzeniem się dwóch czarnych dziur.

Autorzy zauważają, że wczesne obserwacje spektroskopowe tego zdarzenia mogłyby dostarczyć dodatkowych dowodów na temat prawdziwej natury tego rozbłysku. Przewidują również, że jeżeli hipoteza łączenia się czarnych dziur jest prawdziwa, kopnięta czarna dziura ponownie zderzy się z dyskiem AGN za ~1,6 roku, powodując podobny rozbłysk w AGN. Będą mieli oczy (i teleskopy) szeroko otwarte, aby zobaczyć, czy ich przewidywania się spełnią. Jeżeli ich hipoteza jest poprawna, astronomowie będą mieli nowe narzędzie do badania fizyki czarnych dziur i dysków AGN. Co ważniejsze, dostarczy nam to niezwykłego doświadczenia – „zobaczenia” kilku „przytulających się” czarnych dziur!

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:

Odkryto „mrugającego olbrzyma” w pobliżu centrum Galaktyki

Astronomowie zauważyli olbrzymią „mrugającą” gwiazdę w centrum Drogi Mlecznej , ponad 25 000 lat świetlnych od nas. Wizja artystyczna gwiaz...