Po raz pierwszy w historii wykryto zderzenie czarnej dziury z gwiazdą neutronową

Fale grawitacyjne to zjawisko, które astronomowie wykrywają od stosunkowo niedawna. Powstają one chociażby w wyniku zderzenia dwóch masywnych obiektów, takich jak czarne dziury czy gwiazdy neutronowe. Teraz, po raz pierwszy w historii, udało się potwierdzić detekcję fal grawitacyjnych, które ujrzały światło dzienne w wyniku kolizji czarnej dziury i gwiazdy neutronowej.

Kamień milowy w astronomii

W zasadzie, dotychczas fale grawitacyjne, których źródłem było zderzenie czarnej dziury i gwiazdy neutronowej, wykryto dwa razy, w ramach międzynarodowej współpracy tysięcy naukowców. W najnowszej pracy naukowej opublikowanej w czasopiśmie The Astrophysical Journal Letters potwierdzono obydwie detekcje. Co ciekawe, miały one miejsce w odstępie zaledwie 10 dni, w styczniu 2020 roku.

„To niesamowity kamień milowy dla rodzącej się dziedziny astronomii poświęconej falom grawitacyjnym.”, powiedział astrofizyk Rory Smith z Uniwersytetu Monasha. „Gwiazdy neutronowe łączące się z czarnymi dziurami są jednymi z najbardziej ekstremalnych zjawisk we Wszechświecie. Obserwacja tych zderzeń otwiera nowe możliwości poznania fundamentalnej fizyki, a także tego, jak gwiazdy się rodzą, żyją i umierają.”

Fale grawitacyjne generowane przez parę czarnej dziury i gwiazdy neutronowej. Wizja artysty. | Źródło: Mark Myers, OzGrav/Swinburne University

Pierwsze takie kolizje

To, że dwa przypadki zderzenia się czarnej dziury – GW200105 i GW200115 – odkryto niemal jednocześnie, świadczy o tym, jak szybko dziedzina nauki o falach grawitacyjnych się rozwija. W ciągu połowy dekady od pierwszej detekcji fal grawitacyjnych naukowcy wykryli te fale kilkadziesiąt razy, pochodzące z dziesiątek zdarzeń. Mowa w sumie o około 50 przypadkach zderzeń czarnych dziur z czarnymi dziurami lub gwiazd neutronowych z gwiazdami neutronowymi. Przez te lata nie potwierdzono jednak kolizji typu mieszanego (NSBH), aż do teraz.

„W styczniu 2020 roku sieć detektorów LIGO-Virgo zaobserwowała sygnały fal grawitacyjnych z dwóch kompaktowych układów podwójnych, których charakterystyka odpowiadała charakterystyce układów gwiazda neutronowa-czarna dziura.”, naukowcy wyjaśniają na łamach The Astrophysical Journal Letters. „Są to jak dotąd pierwsze pewne obserwacje par NSBH dokonane z pomocą jakichkolwiek środków obserwacyjnych.”

Pierwsze zderzenie czarnej dziury z gwiazdą neutronową – GW200105 – zostało zarejestrowane 5 stycznia 2020 roku i dotyczyło czarnej dziury o masie około 8,9 mas Słońca i gwiazdy neutronowej o masie 1,9 mas Słońca. Miało ono miejsce około 900 milionów lat temu.

Drugie zderzenie – GW200115 – wykryto 15 stycznia 2020 roku. Miało ono miejsce jeszcze dawniej i obejmowało czarną dziurę o masie 6 mas Słońca oraz gwiazdę neutronową o masie 1,5 masy Słońca.

Gwiazda neutronowa pochłaniana przez czarną dziurę. Wizja artysty. | LIGO-India/Soheb Mandhai

„Te zderzenia wstrząsnęły Wszechświatem do samego rdzenia, a my wykryliśmy fale, które za ich sprawą pędziły przez kosmos.”, powiedziała astrofizyk Susan Scott z Australijskiego Uniwersytetu Narodowego. „Każde zderzenie to nie tylko połączenie dwóch masywnych i gęstych obiektów. W ich przypadku czarna dziura połyka w całości towarzyszącą jej gwiazdę neutronową, niczym Pac-Man.”

Teraz, skoro już mamy pewność, że układy podwójne składające się z czarnych dziur i gwiazd neutronowych istnieją, tylko kwestią czasu jest wykrycie fal grawitacyjnych powstałych za sprawą kolejnych takich par. Dzięki nim możemy dowiedzieć się czegoś więcej i na temat czarnych dziur, i na temat gwiazd neutronowych – jak duże lub jak małe mogą być, jak szybko rotują, jak się ze sobą parują i nie tylko.

Źródło: Scimex, EurekAlert, Northwestern Now, fot. tyt. Carl Knox/OzGrav/Swinburne University