Czarna dziura, jakiej nie znano. Narodziny giganta zapisane w fali grawitacyjnej

Sygnał fali grawitacyjnej, oznaczony sygnaturą GW190521, został zarejestrowany 21 maja 2019 roku przez trzy detektory interferometryczne tworzące globalną sieć - detektor Virgo i dwa detektory LIGO. Ogromna wykryta czarna dziura mieści się w specyficznym zakresie mas, w którym wcześniej nie obserwowano tego typu obiektów: ani za pomocą fal grawitacyjnych, ani obserwacji elektromagnetycznych. O odkryciu i jego astrofizycznych konsekwencjach informują dwa artykuły naukowe opublikowane 2 września 2020 roku w Physical Review Letters oraz Astrophysical Journal Letters.

Powstała w wyniku koalescencji czarna dziura jest rekordowa - jak wskazano w komunikacie prasowym Uniwersytetu Warszawskiego, "było to najbardziej energetyczne i najbardziej odległe od Ziemi zdarzenie, jakie udało się zarejestrować w falach grawitacyjnych". Pobicie rekordu masy czarnych dziur zaobserwowanych w dotychczasowych kampaniach obserwacyjnych Advanced Virgo i LIGO jest jednak tylko jedną z kilku szczególnych cech, które zdaniem naukowców świadczą o wyjątkowości tej obserwacji. Aspektem, który szczególnie zwrócił uwagę astrofizyków, jest to, że końcowa czarna dziura należy do klasy tak zwanych "czarnych dziur o masie pośredniej" - chodzi tutaj o zakres wynoszący od stu do stu tysięcy mas Słońca.

Zainteresowanie tą populacją czarnych dziur wiąże się z jedną z najbardziej fascynujących i trudnych zagadek stojących przed astrofizykami i kosmologami: dotyczy ona pochodzenia supermasywnych czarnych dziur. Te gigantyczne byty - miliony, a nawet miliardy razy cięższe od Słońca - zwykle znajdujące się w centrach galaktyk, mogą powstać w wyniku łączenia się mniejszych czarnych dziur o masie pośredniej. Do dziś zidentyfikowano dzięki obserwacjom elektromagnetycznym bardzo niewielu kandydatów na czarne dziury o masie pośredniej, a GW190521 jest pierwszą obserwacją takiej czarnej dziury za pomocą fal grawitacyjnych.

"Wraz ze wzrostem czułości detektorów będziemy obserwować coraz więcej zjawisk z wczesnego Wszechświata” - podkreśla prof. Dorota Rosińska, członkini polskiego zespołu Virgo-Polgraw, cytowana w komunikacie prasowym Uniwersytetu Warszawskiego. "To pierwszy raz, gdy zaobserwowano koalescencje dwóch czarnych dziur o tak nietypowych masach i powstanie średnio-masywnej czarnej dziury" - nadmienia.

Praca opisująca GW190521 jest wynikiem współpracy ponad tysiąca naukowców z całego świata zrzeszonych w konsorcjum LIGO-Virgo, w tym szesnastu badaczy z Polski. Są wśród nich pracownicy Obserwatorium Astronomiczne Uniwersytetu Warszawskiego oraz Narodowego Centrum Badań Jądrowych. W grupie zaangażowanych pracowników UW działają: prof. dr hab. Tomasz Bulik, dr hab. Dorota Rosińska, dr Maria Tringali, dr Bartosz Idźkowski, dr Przemysław Figura, mgr Neha Singh, mgr Małgorzata Curyło oraz mgr Paweł Szewczyk. W NCBJ z kolei zajmują się tym obszarem prof. Andrzej Królak, inż. Adam Kutynia i dr Adam Zadrożny). Jak wyjaśniają ci ostatni, naukowcy z Narodowego Centrum Badań Jądrowych od 2008 roku biorą aktywny udział w pracach konsorcjum LIGO-Virgo, w tym w pracach nad sygnałami pochodzącymi z rotujących gwiazd neutronowych, astronomią wielu nośników (multi-messenger astronomy) oraz nowych metod analizy danych. NCBJ wnosi też swój wkład w budowę europejskiego detektora fal grawitacyjnych Virgo.

Badacze żywią nadzieję, że najnowsze odkrycie będzie krokiem do wyjaśnienia dróg powstawania czarnych dziur o masie pośredniej. Czarne dziury zasadniczo dzielą się na te o masie gwiazdowej (np. kilka, kilkanaście mas Słońca) oraz tzw. supermasywne czarne dziury o masach setek tysięcy, milionów, a nawet miliardów mas Słońca. Te drugie rezydują w centrach galaktyk, np. taki obiekt w centrum Drogi Mlecznej ma około 4 milionów mas Słońca. Grupa obiektów o masie pośredniej pomiędzy gwiazdowymi a supermasywnymi czarnymi dziurami jest najbardziej niejednorodna - granice są tutaj płynne, ale można przyjąć, że czarne dziury o masie pośredniej mają od 100 mas Słońca do stu tysięcy mas Słońca.

Projekt Virgo obejmuje około 580 naukowców, inżynierów i techników ze 109 instytutów z 13 krajów, głównie europejskich: Belgii, Francji, Grecji, Hiszpanii, Holandii, Irlandii, Japonii, Monako, Niemiec, Portugalii, Węgier, Włoch oraz Polski. Amerykańskim odpowiednikiem jest projekt LIGO, który posiada dwa detektory w USA. W projekcie mają udział też instytuty spoza Stanów Zjednoczonych. Łącznie w ramach konsorcjum LIGO pracuje około 1300 naukowców z całego świata. LIGO i Virgo ściśle ze sobą współpracują.

Fale grawitacyjne to jeden z efektów przewidywanych przez ogólną teorię względności Alberta Einsteina. Są to rozchodzące się drgania pola grawitacyjnego - aby fale grawitacyjne dało się wykryć, masy i przyspieszenia obiektów muszą być bardzo duże. Po raz pierwszy obserwacyjne fale grawitacyjne udało się wykryć w 2015 roku. Od tamtej pory wykryto więcej takich zdarzeń, głównie od zderzeń czarnych dziur.

Pełny opis odkrycia można znaleźć w materiałach prasowych EGO-Virgo – także w języku polskim.