Nowe spojrzenie na ewolucję podwójnej czarnej dziury

Wykrycie fal grawitacyjnych otwarło nową drogę do badania podwójnych czarnych dziur w kosmicznym czasie. Czego możemy się dowiedzieć o ewolucji podwójnych czarnych dziur z układów, które wykryliśmy za pomocą fal grawitacyjnych?

Wizja artystyczna przedstawiająca dwie czarne dziury zbliżające się do połączenia. Źródło: LIGO/Caltech/MIT/Sonoma State (Aurore Simonnet).

Badanie zdarzeń fal grawitacyjnych
Wraz ze wzrostem wykrywanych przez nas łączących się układów podwójnych czarnych dziur, możemy zacząć odpowiadać na fundamentalne pytania dotyczące tego, jak te fascynujące układy powstają i ewoluują. A ponieważ czarne dziury są punktem końcowym ewolucji gwiazd, badanie, w jaki sposób populacja czarnych dziur mogła zmienić się w czasie, może również dostarczyć wglądu w ewolucję gwiazd.

W nowej publikacji zespół kierowany przez Sylvię Biscoveanu (Massachusetts Institute of Technology) wykorzystał bogactwo danych dotyczących czarnych dziur do poszukiwania trendów spinów czarnych dziur w układach podwójnych. Korzystając ze zbioru 69 zdarzeń podwójnych czarnych dziur z trzeciego katalogu Gravitational-Wave Transient Catalog LIGO, zespół dążył do ustalenia, czy spiny czarnych dziur są skorelowane z ich masami, czy z przesunięciem ku czerwieni, w którym znajduje się układ podwójny.

Obliczenia z wyselekcjonowanego katalogu
Biscoveanu i współpracownicy odkryli, że średni spin podwójnych czarnych dziur różnił się nieznacznie wraz z przesunięciem ku czerwieni (wskaźnik kosmicznego czasu) lub masą, ale rozkład spinów rozszerzał się przy wyższych przesunięciach ku czerwieni. Innymi słowy, czarne dziury w układach podwójnych miały ten sam średni spin 10 miliardów lat temu, co dzisiaj, ale w przeszłości było więcej czarnych dziur wirujących szybciej – zarówno z wyższym dodatnim, jak i ujemnym spinem – niż obecnie.

Zespół przeanalizował syntetyczne dane dotyczące czarnej dziury i zastosował nowe modele do istniejących danych, aby wykluczyć możliwość, że poszerzenie
  1. jest spowodowane wzrostem niepewności w pomiarach spinu układów podwójnych o wysokim przesunięciu ku czerwieni,
  2. odzwierciedleniem leżącej u podstaw korelacji między innymi czynnikami, takimi jak masa czarnej dziury i przesunięcie ku czerwieni, lub
  3. konsekwencją zastosowania niewłaściwego modelu do danych
Analizy te sugerowały, że trend jest prawdziwy. W rzeczywistości rozkład, który rozszerza się wraz ze wzrostem przesunięcia ku czerwieni, powinien być łatwiejszy do wykluczenia niż inne trendy, ponieważ szybko wirujące czarne dziury są ogólnie łatwiejsze do wykrycia niż te, które wirują powoli, więc niewykrycie ich przy wysokim przesunięciu ku czerwieni wykluczałoby rozszerzający się rozkład.

Szersze spojrzenie na wirowanie czarnej dziury
Poszerzenie rozkładu spinu z przesunięciem ku czerwieni może mieć wiele przyczyn fizycznych. Może to wskazywać, że istnieje kilka ścieżek formacji dla układów podwójnych czarnych dziur, a każda ścieżka ma inny rozkład spinu. Inną możliwością jest to, że układy podwójne czarnych dziur mogą powstawać tylko jedną ścieżką, ale następnie ewoluują w taki sposób, że spiny zmieniają się w czasie.

Jednak chociaż obie hipotezy mogą prowadzić do powstania czarnych dziur o wysokim dodatnim spinie przy dużym przesunięciu ku czerwieni, nie mogą jeszcze wyjaśnić wzrostu liczby czarnych dziur o wysokim ujemnym spinie, które są niezbędne do stworzenia obserwowanego przez nas szerokiego rozkładu spinu. Jedną z możliwości jest to, że te układy o ujemnym spinie – w którym spin pojedynczej czarnej dziury jest odbiegający od momentu pędu układu podwójnego – mogłyby powstać, gdyby czarne dziury we wczesnym Wszechświecie uzyskały większe niż dzisiaj „kopnięcie” grawitacyjne, gdy się rodzą. Wciąż jest wiele do zbadania, a wraz z powiększaniem się naszego katalogu układów podwójnych czarnych dziur, nasze odpowiedzi prawdopodobnie będą dalej ewoluować!

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