Być może dziwne połączenie czarnych dziur jest rzadkim zdarzeniem losowym

Pojawienie się detektorów fal grawitacyjnych – obecnie są ich cztery – odnotowało stały strumień łączenia się czarnych dziur. O ile nam wiadomo, prawie wszystkie z nich zachowywały się dokładnie tak, jak byśmy się tego spodziewali po zdarzeniach, które wywołają: para wirujących czarnych dziur, które wirują do wewnątrz, aż spotkają się we wspólnym środku ciężkości. .

Ale było jedno zdarzenie, które nie do końca pasowało do rodzaju sygnałów, jakich byśmy oczekiwali. Naukowcy sugerują teraz, że jest to produkt czegoś, co musi być niezwykle rzadkie: dwóch czarnych dziur, które znalazły się w bezkresie kosmosu. Po jednym bliskim przejściu oba ciała zwinęły się i natychmiast rozdzieliły w kolizji.

Szablony i tweety

Zderzenia czarnych dziur wymagają, aby dwie czarne dziury znajdowały się wystarczająco blisko siebie, aby oddziaływać grawitacyjnie. Ponieważ przestrzeń jest tak rozległa, zwykle oznacza to, że są one produktem dwóch masywnych gwiazd, które powstały jako układ podwójny. Po śmierci gwiazd i pozostawieniu czarnych dziur oba obiekty powoli zbliżały się do siebie, promieniując energię w postaci fal grawitacyjnych.

Prowadzi to do stosunkowo prostej fuzji i inspiracji, której szczegóły opisano w Nieskończona animacja W ślad za LIGO Pierwsze wykrycie zderzenie czarnej dziury.

Zderzenia tego typu zostały wykonane tak dobrze, że dysponujemy szeroką gamą symulacji modelujących takie zderzenia z różnymi zestawami szczegółów: różnymi masami czarnych dziur, różnymi cyklami i tak dalej. Symulacje te dostarczają „szablonów” dla ostatnich kilku chwil przed uderzeniem, kiedy produkcja fal grawitacyjnych staje się szybsza i bardziej intensywna, a końcowy „ćwierkanie” fal wznosi się ponad hałas tła na Ziemi. Te szablony pozwalają nam szybko określić szczegóły kolizji na podstawie tego, jak dobrze sygnały kolizji pasują do jednego z tych szablonów.

Ale fuzja, nazwana GW190521, nie pasowała szczególnie dobrze do szablonów i pasowałaby lepiej tylko wtedy, gdyby omawiane czarne dziury w ogóle się nie obracały. Sygnały były niezwykle krótkie i nie było śladu sygnału przed faktyczną fuzją. Ostatecznie oba ciała biorące udział w fuzji były stosunkowo masywne: około 50 i 80 mas Słońca. Czarne dziury tej wielkości nie tworzą się w supernowych (tych, które zwykle zaczynają się od mniej niż 15 mas Słońca), więc są to prawdopodobnie produkty wcześniejszych zderzeń. Co sprawia, że ​​​​uruchamianie ich jako części systemu binarnego jest wątpliwe.

Tak więc zespół europejskich naukowców postanowił stworzyć model zdarzenia, które powinno być stosunkowo rzadkie: dwie czarne dziury nie wystartowały ze wspólnej orbity, ale przypadkowo przeleciały blisko siebie dzięki sile grawitacji.

zatańczymy

Technicznym terminem tego, co proponują autorzy, jest „przechwytywanie dynamiczne”, co wyjaśnia nagłą, pozornie impulsową naturę sygnału GW190521. Zamiast stopniowego podejścia, w którym fale grawitacyjne narastają do intensywności charakterystycznej dla układów podwójnych, dwa obiekty, które wywołały to zdarzenie, mogą doświadczyć ograniczonej liczby szybkich wahań między sobą przed zderzeniem.

Naukowcy stworzyli model różnych możliwych podejść, z których niektóre mogą prowadzić do stopniowego podejścia podobnego do tych obserwowanych w układach podwójnych, a inne mogą odsuwać czarne dziury od siebie po zmiennych trajektoriach. Ale między tymi dwoma skrajnościami jest zestaw wyników, w których możesz albo wykonać kilka bliskich przejść przed zderzeniem, albo dwie czarne dziury mogą zatopić się bezpośrednio w sobie.

Modele, które wydały sygnał najlepiej pasujący do sygnału GW190521, widziały pojedyncze przejście, które zbliżyło czarne dziury, po którym nastąpiła pojedyncza szybka krzywa zderzenia. Ale pierwszy przebieg był na tyle daleko, że sygnał jest zbyt słaby, aby wyróżniać się ponad szum tła w detektorach. Chociaż możliwe jest uzyskanie wyników podobnych do tego przy użyciu bardziej typowego profilu kolizji ze stopniowym wdechem, kilka testów statystycznych wskazuje, że bardziej prawdopodobne jest przechwytywanie dynamiczne.

Prawdopodobnie zależy to przynajmniej od właściwości ćwierkania fali grawitacyjnej. Możliwość zbliżenia się dwóch czarnych dziur na tyle blisko siebie, aby wywołać ten proces, to zupełnie inna sprawa. Ale te dwie czarne dziury są na tyle masywne, że prawdopodobnie powstały w wyniku wcześniejszych fuzji, co wskazuje, że zderzenie to miało miejsce w gęstej gromadzie, w której ginie wiele masywnych gwiazd. Dlatego środowisko może bardziej sprzyjać przypadkowemu spotkaniu, niż moglibyśmy się spodziewać.

astronomia naturalna2022. DOI: 10.1038 / s41550-022-01813-w (Informacje o DOI).