Spotkanie czarnej dziury i gwiazdy neutronowej zapisane w falach grawitacyjnych

Czarne dziury i gwiazdy neutronowe to obiekty osobliwe, o ekstremalnych właściwościach i bardzo rzadko występujące w bezpośredniej bliskości względem siebie. Pierwszą parę gwiazd neutronowych zaobserwowano w Drodze Mlecznej dzięki obserwacjom przeprowadzonym w 1974 roku z wykorzystaniem radioteleskopów (padło na pulsary, czyli bardzo szybko obracające się gwiazdy neutronowe, emitujące wiązkę silnego promieniowania odbieranego na falach radiowych). Niedawno potwierdzono też doświadczalnie istnienie par czarnych dziur (uzyskane kilka lat temu dzięki interferometrycznym detektorom fal grawitacyjnych). Niewiadomą pozostawały jednak nadal mieszane układy podwójne, złożone z obu typów tych ciał – sygnał istnienia tego rodzaju kombinacji nie był do tej pory rejestrowany w sposób nie budzący wątpliwości.

Tymczasem 5 stycznia 2020 roku jeden z detektorów Advanced LIGO, znajdujący się w Luizjanie w USA, oraz interferometr Advanced Virgo we Włoszech, zarejestrowały fale grawitacyjne, które pochodziły z nieznanego dotąd obiektu. Jak się okazało, sygnał został wyemitowany przez układ, w którym wirujące wokół siebie gwiazda neutronowa i czarna dziura połączyły się w jeden zwarty obiekt. Naukowcy byli świadkami następowania kilku ostatnich sekwencji orbitalnych poprzedzających połączenie.

Dziesięć dni później wykryto natomiast sygnał występowania podobnego układu podwójnego. Wykryte osobno układy nazwano GW200105 i GW200115.

Analizy wykonane przez naukowców wskazują na to, że w GW200105 czarna dziura miała masę odpowiadającą 8,9 masy Słońca, a gwiazda neutronowa - 1,9 masy Słońca. Połączyły się około 900 milionów lat temu, a sygnał z tego zdarzenia dotarł aktualnie do nas. Z kolei w przypadku GW200115 pomiar masy wykazał odpowiednio 5,7 oraz 1,5 razy więcej niż masa Słońca. Tutaj obiekty połączyły się blisko miliard lat temu.

W obu przypadkach masywniejsze obiekty pasują do przedziału przewidywanego w teorii ewolucji gwiazd dla czarnych dziur, a te o mniejszych masach pasują do przewidywań dla gwiazd neutronowych. Połączenie czarnej dziury z gwiazdą neutronową, poza sygnałem fal grawitacyjnych, wiąże się także z dużym prawdopodobieństwem emisji promieniowania elektromagnetycznego. W rozpatrywanych przypadkach nie udało się wprawdzie zaobserwować emisji elektromagnetycznej (z powodu dużej odległości od źródeł i małej dokładności wyznaczenia pozycji na niebie), niemniej sądzi się, że mogły one być szczególnie wysoko energetyczne. Naukowcy mają przy tym nadzieję, że w przyszłości uda się takie promieniowanie zarejestrować, w przypadku innych podobnych zdarzeń.

Opisane przypadki GW200105 i GW200115 to pierwsze potwierdzone detekcje połączenia par czarna dziura/gwiazda neutronowa. Wcześniej wykryto zdarzenia GW190814 i GW190426, które również mogą świadczyć o podobnych kolizjach, ale nie ma co do nich pewności i naukowcy określają je jedynie mianem kandydatek na pary obiektów tego typu.

Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie „The Astrophysical Journal Letters”. W składzie międzynarodowego zespołu badawczego byli astronomowie z Uniwersytetu Warszawskiego: prof. Dorota Rosińska, prof. Tomasz Bulik, dr Przemysław Figura, dr Bartosz Idzikowski oraz doktoranci: Małgorzata Curyło, Neha Singh, Paweł Szewczyk. „Do tej pory można było zaobserwować fale grawitacyjne, które pochodziły wyłącznie z połączenia dwóch czarnych dziur albo dwóch gwiazd neutronowych. Układ mieszany został zarejestrowany po raz pierwszy, choć już od dwudziestu lat razem z prof. Krzysztofem Belczyńskim przewidywaliśmy taki scenariusz” - wskazuje prof. Tomasz Bulik z Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Warszawskiego, cytowany w okolicznościowym komunikacie uczelni.

Źródło: Uniwersytet Warszawski/PAP