Czy supermasywne czarne dziury łączą się tworząc układy podwójne?

W centrach większości galaktyk znajdują się czarne dziury tak masywne – do kilku mld razy masywniejsze od naszego Słońca – że zyskały miano „supermasywnych”. Zwykła czarna dziura o masie gwiazdowej jest zaledwie 10 do 100 razy masywniejsza od Słońca. Poznanie tych supermasywnych czarnych dziur pomoże astronomom zrozumieć pochodzenie i ewolucję galaktyk. Jednym z otwartych pytań jest to, czy mogą one tworzyć układy podwójne.

Wizja artystyczna dwóch łączących się czarnych dziur. Źródło: ESA

Czarne dziury o masie gwiazdowej tworzą układy podwójne, dwie czarne dziury okrążające siebie nawzajem, jeżeli powstają w wyniku kolapsu układu podwójnego gwiazd, lub gdy dwie czarne dziury pochwycą się wzajemnie dzięki swojemu przyciąganiu grawitacyjnemu. Zbliżają się do siebie po spirali, by w końcu połączyć się w tak potężnym zdarzeniu, że wyśle ono falę w czasie i przestrzeni, znaną jako fala grawitacyjna. Kilka lat temu detektor fal grawitacyjnych LIGO po raz pierwszy wykrył takie fale powstałe w wyniku podobnego zdarzenia.

Teoretycznie, w wyniku połączenia się dwóch galaktyk może powstać podwójna czarna dziura rodzaju supermasywnego, ale jak dotąd astronomowie nie wykryli jednoznacznie ani jednego takiego przypadku. Na czele tych poszukiwań stoi profesor astronomii i astrofizyki z Penn State, Michael Eracleous.

Około dziesięć lat temu opublikowano kilka prac, w których twierdzono, że udało się wykryć podwójne supermasywne czarne dziury. Już jako student pracowałem nad takimi układami, więc poczułem się zmuszony do rozpoczęcia projektu mającego na celu zebranie dużej ilości danych, aby móc przedstawić kontrargumenty do twierdzeń zawartych w tych pracach. Kiedy już się w to zagłębiłem, zobaczyłem, jak bardzo jest to związane z ewolucją galaktyk – powiedział prof. Eracleous.

Jak więc szukać coś, czego się nigdy nie widziało?

W wielu dziedzinach astronomii obserwacje znajdują się na pierwszym miejscu – widzimy coś, co kształtuje naszą teorię. W przypadku podwójnych supermasywnych czarnych dziur, teoria napędza obserwacje. Dopóki takich nie znajdziemy, pytania brzmią: „Czy powinny istnieć?” i „Czy powinniśmy ich szukać?”. Odpowiedź na oba pytania brzmi: „Tak” – dodaje Eracleous.

Główną różnicą między supermasywnymi czarnymi dziurami a czarnymi dziurami o masie gwiazdowej jest gaz. Kiedy gwiazdowe czarne dziury tworzą się po eksplozji gwiazdy w postaci supernowej, większość gazu jest wyrzucana. Uważa się jednak, że supermasywne czarne dziury przenoszą ze sobą gazy emitujące sygnały świetlne, które mogą być wykryte przez duże teleskopy wyposażone w spektrografy tutaj na Ziemi, takie jak 11-metrowy Teleskop Hobby’ego-Eberly’ego (HET).

Eracleous wyjaśnił, że gazy te są wykrywane przez spektrograf jako linie emisyjne o określonej długości fali i mogą stanowić klucz do identyfikacji układów podwójnych supermasywnych czarnych dziur. Gdy czarne dziury krążą wokół siebie, linie emisji gazów przesuwają się w wyniku efektu Dopplera. Linie emisyjne z jednej czarnej dziury są przesunięte w kierunku dłuższych fal, a te z drugiej w kierunku krótszych. Naukowcy spodziewają się więc dwóch oddzielnych linii emisyjnych, po jednej dla każdej czarnej dziury.

Oczywiście, same poszukiwania nie są takie proste. Ze względów praktycznych, takich jak ograniczona dostępność czasowa różnych teleskopów niezbędnych do prowadzenia takich obserwacji, astronomowie nie mogą po prostu obserwować i czekać, aż zobaczą charakterystyczne oznaki supermasywnego układu podwójnego. Ale nie muszą tego robić. Zamiast tego, identyfikują kandydatów na podstawie wstępnych badań i regularnie sprawdzają, czy widma tych kandydatów zmieniły się tak, jak można by tego oczekiwać na podstawie modeli teoretycznych.

Proces ten jest powolny, ale Eracleous wyjaśnił, że gdy znajdą jedną podwójną supermasywną czarną dziurę, poszukiwania powinny nabrać tempa.

Astronomowie już teraz opracowują technologie, które pozwolą na te kolejne poszukiwania. Eracleous jest zaangażowany w planowanie Laser Interferometer Space Antenna (LISA). LISA jest dla LIGO tym, czym supermasywna czarna dziura dla gwiazdowej czarnej dziury. Podczas gdy LIGO składa się z dwóch czterokilometrowy laserów ustawionych względem siebie pod kątem prostym, trzy satelity LISA będą połączone laserem o długości 2,5 mln km, tworząc trójkąt równoboczny. Skala projektu LISA oraz fakt, że jest on zlokalizowany w przestrzeni kosmicznej oznacza, że może wykrywać fale grawitacyjne o małej długości, z dala od źródeł hałasu tutaj, na Ziemi.

LISA będzie dostrojona do wyszukiwania fal grawitacyjnych, takich jak te, które powstałyby w wyniku zderzenia się dwóch supermasywnych czarnych dziur – powiedział Eracleous.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:

Popularne posty z tego bloga

Betelgeza jest mniejsza i bliższa niż początkowo sądzono

Odkryto drugą płaszczyznę Układu Słonecznego

Odkryto nową „skamieniałą galaktykę” zakopaną głęboko w Drodze Mlecznej