Jak często czarne dziury są wyrzucane z gromad gwiazd?

Główną teorią na temat powstawania masywnych (i supermasywnych) czarnych dziur jest hierarchiczne łączenie się – koncepcja, według której masywne czarne dziury powstają z serii zderzeń pomiędzy lżejszymi czarnymi dziurami. Gęsto upakowane środowiska, takie jak gromady kuliste i jądrowe gromady gwiazd w centrach galaktyk powinny być pierwszorzędnymi miejscami dla fuzji czarnych dziur, ale „kopnięcia” fal grawitacyjnych mogą stanąć na przeszkodzie.

Regiony, w których gwiazdy są gęsto upakowane, jak w pokazanej tutaj jądrowej gromadzie gwiazd w Drodze Mlecznej, są potencjalnymi miejscami fuzji czarnych dziur. Źródło: Stefan Gillessen, Reinhard Genzel, and Frank Eisenhauer.

Kiedy czarne dziury łączą się, emitują fale grawitacyjne, które przenoszą energię i pęd. Fale te nie są emitowane jednakowo we wszystkich kierunkach, więc akt łączenia się powoduje „kopnięcie” produktu fuzji. Jest to dalekie od delikatnego szturchnięcia – typowe prędkości kopnięcia są szacowane na setki lub tysiące km/s. Jeżeli czarna dziura otrzyma wystarczająco dużego kopa, może opuścić gęstą gromadę, w której powstała i wyruszyć w rozrzedzoną przestrzeń, gdzie prawdopodobieństwo kolejnych fuzji jest znacznie mniejsze. Jak typowe dla czarnych dziur jest wyrzucanie ich z rodzących się gromad gwiazd i co to oznacza dla teorii hierarchicznego łączenia się?

Obecne detektory fal grawitacyjnych nie są wystarczająco czułe, aby bezpośrednio wykryć wyrzut czarnej dziury, ale możemy wnioskować o prędkości wyrzutu z obserwowanych fal grawitacyjnych. Zespół kierowany przez Parthapratima Mahapatrę (Chennai Mathematical Institute, Indie) zastosował modele matematyczne do danych z 47 fuzji czarnych dziur wykrytych przez detektory LIGO i Virgo, aby zbadać prawdopodobieństwo wyrzucenia czarnych dziur z różnych typów gromad gwiazd. Autorzy badania oszacowali prędkość wyrzucenia każdej z nich, która zależy od stosunku mas łączących się czarnych dziur, ich prędkości wirowania i innych czynników.

Mahapatra i współautorzy wykorzystali swoje oszacowania do wyznaczenia prawdopodobieństwa pozostania tworu fuzji w gromadzie, w której powstał, jako funkcji prędkości ucieczki gromady, znajdując szeroki zakres prawdopodobieństw zatrzymania. Autorzy zwracają szczególną uwagę na sześć przypadków w katalogu, które wykazują oznaki bycia produktami wcześniejszych fuzji hierarchicznych, takie jak GW190521 – najmasywniejsza fuzja czarnych dziur wykryta do tej pory. Oszacowali oni, że połączenie takie jak GW190521 miałoby 50% szans na pozostanie związanym z gromadą gwiazd o prędkości ucieczki wynoszącej 700 km/s. Ponieważ ta prędkość ucieczki mieści się w oczekiwanym zakresie dla jądrowych gromad gwiazd, oznacza to, że jeżeli GW190521 byłaby umieszczona w tak gęstym środowisku, jej masywny produkt może w przyszłości ponownie się połączyć.

Ostatecznie jasne jest, że niektóre gromady gwiazd są lepsze w zatrzymywaniu po fuzji czarnych dziur niż inne. Biorąc pod uwagę ich niskie prędkości ucieczki, gromady kuliste raczej nie są miejscem powtarzających się fuzji czarnych dziur; autorzy szacują, że z 40 skatalogowanych fuzji z najlepszymi danymi, 17 zostałoby zatrzymanych przez jądrowe gromady gwiazd, a tylko 2 przez gromady kuliste. Nie wiedząc więcej o środowiskach, w których te fuzje miały miejsce, nie można powiedzieć, czy pojedynczy produkt fuzji ucieknie ze swojego otoczenia, ale ustalenia autorów mają ważne implikacje dla tego, gdzie hierarchiczne fuzje mogą mieć miejsce ogólnie.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:

Popularne posty z tego bloga

Dziwne fale radiowe wyłaniają się z kierunku centrum Galaktyki

Astronomowie potwierdzają istnienie kosmicznej super-pustki, która podważa nasze rozumienie ciemnej energii

Strumień Magellana nad Drogą Mleczną może być pięć razy bliżej niż wcześniej sądzono