Najmniejsza czarna dziura w historii? Naukowcy nie są pewni, czym jest ten obiekt
Astrofizycy z USA i Włoch po raz pierwszy w historii dostrzegli czarną dziurę, która – jak im się to wówczas wydawało – pochłanęła gwiazdę neutronową. Tak w sierpniu 2019 roku zinterpretowano charakterystyczne zmarszczki w czasoprzestrzeni. Rezultat kolaboracji zespołów z amerykańskiego obserwatorium fal grawitacyjnych LIGO i włoskiego detektora Virgo po ponad roku doczekał się dokładnej analizy.
- Jan Sochaczewski
Naukowcy z LIGO potwierdzili tamto wydarzenie nadając mu nazwę GW190814, ale wygląda na to, że ta gwiazda neutronowa wcale nie była gwiazdą neutronową. Co czyni odkrycie jeszcze bardziej unikalnym, bo dotyczy najmniejszej czarnej dziury jaką kiedykolwiek wykryto. Wszystko sprowadza się do zauważonej rok temu dysproporcji mas reagujących ze sobą obiektów.
GW190814 Artistic Interpretation from Alex Andrix on Vimeo.
Co pierwotnie stwierdzono, to że ok. 900 mln lat temu czarna dziura połknęła i zgasiła gwiazdę neutronową niczym mokre palce knot płonącej świeczki. Nie był do końca jasny rozmiar dziury i gwiazdy. Po prostu jeszcze nigdy wcześniej nie zarejestrowano czarnej dziury o masie mniejszej niż 5 mas słonecznych, a tym bardziej gwiazdy neutronowej większej niż 2,5 masy słoneczne.
Już rok temu brano pod uwagę, że to jedna czarna dziura pochłonęła drugą, znaczniej mniej masywną niż którakolwiek znana. Wszystko sprowadzało się do obserwowanej różnicy mas. Jak tłumaczy dziś Patrick Brady z University of Wisconsin-Milwaukee, fizyk i rzecznik kooperatywy międzynarodowej LIGO Scientific Collaboration, tej różnicy może tam wcale nie być, a jedynie my na Ziemi mamy ograniczone możliwości obserwacji zjawisk, jak gwiazdy neutronowe czy czarne dziury.
I czarna dziura i gwiazda neutronowa to pozostałość po zapadniętej masywniej gwieździe. W przypadku gwiazd neutronowych ciało niebieskie z którego powstały miało od 8 do 30 mas Słońca. Przed śmiercią pozbywają się większości swojej masy, pozostając jako skurczone truchło o masie słonecznej ok. 1,4. Do powstania czarnej dziury zapadająca się gwiazda musi mieć już ponad 30 mas słonecznych.
To co w 2019 roku zdziwiło astrofizyków pracujących na detektorach LIGO i Virgo, to fakt, że nie widziano jeszcze by ”połączeniu” uległy gwiazda neutronowa większa niż 2,3 masy słonecznej i czarna dziura o masie mniejszej od 5 mas słonecznych. I tu właśnie zagadka GW190814.
Analiza fal grawitacyjnych ostatecznie ujawniła, że ten większy obiekt miał 23 masy słoneczne a mniejszy tylko 2,6, czyli był 9 razy mniejszy. Ten drugi był zatem albo największą gwiazdą neutronową w historii albo najmniejszą czarną dziurą. Zgodnie z tzw. limitem Tolmana-Oppenheimera-Volkoffa (TOV) wewnętrzna walka skierowanego na zewnątrz ciśnienia w gwieździe neutronowej z siłą grawitacji skierowaną do wewnątrz ogranicza maksymalną masę takiego ciała niebieskiego do 2,2 – 2,4 masy słonecznej.
- Gdyby nawet mniejszy obiekt w GW190814 miał ”tylko” 2,3 masy słonecznej, to istnieje tylko 3 proc. szansy, że byłaby to gwiazda neutronowa – piszą autorzy analizy w ”The Astrophysical Journal Letters”.
Choć niepewność dotycząca limitu TOV nie może kompletnie wykluczyć, że jest to gwiazda neutronowa, to ”GW190814 najpewniej nie jest produktem połączenia się czarnej dziury i gwiazdy neutronowej”, przekonują badacze z LIGO i Virgo. Pozostaje więc interesująca opcja ”malutkiej czarnej dziury”.
Po pierwsze, uznanie, że chodzi właśnie o ten typ obiektu pozwoliłoby naukowcom uporządkować obliczenia dotyczące różnic mas między reagującymi ze sobą obiektami. Po drugie, jednak, namieszałoby w istniejących modelach formowania się gwiazd neutronowych i systemów binarnych. Po trzecie, trzeba na nowo spojrzeć na detekcję fal grawitacyjnych.
- Większość dotąd odkrytych wywoływała interakcja między obiektami mniej więcej podobnych rozmiarów. Choć nawet w tym roku donoszono o połączeniu obiektów o proporcji mas 1:3, to przypadek GW190814 jest dużo bardziej ekstremalny – zauważa Science Alert.
Według astronoma Ryan Foley’a z University of California w Santa Cruz, nie dysponujemy obecnie modelem formowania się takich systemów binarnych, który tłumaczyłby wszystkie niezrozumiałe elementy układanki jaką jest GW190814.
Być może uda się dokonać dalszych obserwacji i rozwikłać ten problem, gdy obserwatorium LIGO zostanie ponownie włączone po trwających właśnie pracach modernizacyjnych. Jego czulsze detektory być może znów wykryją połączenie w rodzaju GW190814 i pomogą odpowiedzieć na kilka pytań.