Jeśli chcesz znaleźć zderzające się czarne dziury? Sprawdź dyski wokół kwazarów

Wszechświat jest zalany falami grawitacyjnymi. Zderzenia masywnych obiektów, takich jak czarne dziury i gwiazdy neutronowe, generują wiele z nich. Teraz astronomowie zastanawiają się nad środowiskami, w których występują te katastrofalne zdarzenia. Okazuje się, że być może będą musieli przyjrzeć się kwazarom.

Pierwsza detekcja fal grawitacyjnych miała miejsce w 2015 roku. Od tego czasu astronomowie znaleźli kolejnych 90, a kolejne z pewnością zostaną wykryte. Określenie ich prawdopodobnych przyczyn i środowisk jest kluczem do zrozumienia zdarzeń, które je powodują. Kwazary, z całą swoją aktywnością, wydają się być dobrym miejscem do szukania. Jest to szczególnie prawdziwe w przypadku rodzajów interakcji czarna dziura / czarna dziura, które mogą pobudzać fale grawitacyjne.

Kwazar jest sercem aktywnego jądra galaktyki. Silnik, który napędza kwazar, jest supermasywną czarną dziurą. Tam, gdzie są potwory z olbrzymich czarnych dziur, widzisz również gęste dyski gazu. Dyski te wirują z prędkością bliską prędkości światła i są dość jasne w różnych długościach fali światła.

Okazuje się, że jeśli czarna dziura o masie gwiazdowej zostanie wciągnięta na dysk, może zostać wepchnięta do układu podwójnego z inną czarną dziurą. Oddziaływania grawitacyjne między nimi również zakłócają gaz w otaczającym dysku. Gaz ten może oferować pewnego rodzaju sprzężenie zwrotne, które wpływa na orbity czarnych dziur. Ostatecznie takie informacje zwrotne mogą przyspieszyć ich fuzje. Taka idea przyświeca ostatnim symulacjom opisanym w prezentacji na spotkaniu Królewskiego Towarzystwa Astronomicznego. Artykuł wygłosił Connar Rowan, doktorant na Uniwersytecie Oksfordzkim w Anglii.

Symulowanie łączenia się czarnych w dyskach kwazarowych

Rowan i zespół astronomów stworzyli swoje modele komputerowe do badania działań w sercu kwazara. Chcieli zbadać ich możliwą rolę w falach grawitacyjnych.

Te symulacje odpowiadają na dwa główne pytania: czy gaz może katalizować powstawanie układów podwójnych czarnych, a jeśli tak, to czy mogą one ostatecznie zbliżyć się jeszcze bardziej i połączyć się? Aby ten proces wyjaśnił pochodzenie obserwowanych sygnałów fal grawitacyjnych, obie odpowiedzi muszą być twierdzące.powiedział.

Aby uzyskać te odpowiedzi, zespół zasymulował dysk gazowy z 25 milionami cząstek i ukształtował go tak, jak mógł istnieć wokół centralnej supermasywnej czarnej dziury w sercu kwazara. Umieścili także dwie czarne dziury o masie gwiazdowej, aby śledzić ich zachowanie w dysku. Chcieli sprawdzić, czy oba obiekty zostaną zmuszone do grawitacyjnie związanego układu podwójnego. A jakie byłyby mechanizmy wymuszania? Na koniec chcieli sprawdzić, czy dwie czarne dziury w końcu się połączą. Odpowiedź zajęła około 3 miesięcy.

Bence Kocsis, który kieruje konsorcjum GalNUC, które bada te aktywne rdzenie, powiedział, że symulacja jest cennym narzędziem.

Kluczowe etapy mechanizmu formowania się układów podwójnych wyróżnione w kreskówce jako migawki z ich momentu w symulacjach. Pierwszy panel pokazuje “mini” dyski wokół izolowanych czarnych, zanim spotkają się ze sobą w panelach 2 i 3 i zostaną ze sobą związane. Następnie układ podwójny ewoluuje powoli poprzez oddziaływanie grawitacyjne z zreformowanym mini dyskiem, który obraca się wokół obu czarnych.
Zdjęcie: Connar Rowan i wsp.

Wyniki te są niezwykle ekscytujące, ponieważ potwierdzają, że czarne mogą się łączyć w supermasywne dyski czarnych. I prawdopodobnie wyjaśniają wiele, a może większość sygnałów fal grawitacyjnych, które obserwujemy dzisiaj.mówi Kocsis.

Stymulowanie wyników symulacji

Wyniki ujawniają kilka intrygujących możliwości, które stymulują dyskusję w kręgach badawczych fal grawitacyjnych. Po pierwsze, gaz w dysku faktycznie zmniejsza prędkość czarnych dziur podczas spotkania. W rzeczywistości pozostają uwięzione na orbicie wokół siebie, nawet gdy razem okrążają supermasywną czarną dziurę. Po drugie, bezpośredni opór gazu (podobny do oporu powietrza) również odgrywa pewną rolę. Gaz pochłonięty przez czarne zmusza je do spowolnienia. W odpowiedzi na absorpcję energii kinetycznej czarnej dziury poprzez oddziaływanie grawitacyjne, gaz jest gwałtownie wyrzucany natychmiast po spotkaniu. Wynik ten występuje w większości symulacji i potwierdza wcześniejsze oczekiwania, że gaz znacznie ułatwia wychwytywanie czarnych dziur w powiązane pary.

Trzecie odkrycie pokazało również, że kierunek orbity czarnych również odegrał pewną rolę. W układach podwójnych, w których czarne krążą wokół siebie w przeciwieństwie do ich orbity wokół czarnej, czarne zbliżyły się wystarczająco blisko, aby wywołać fale grawitacyjne. To w zasadzie spowolniło je na tyle, aby umożliwić ostateczne, katastrofalne połączenie.

Symulacje łączenia się czarnych w pobliżu kwazara stanowią intrygującą ścieżkę dla astronomów poszukujących dodatkowych źródeł fal grawitacyjnych.

Jeśli znaczna część obserwowanych zdarzeń, dziś lub w przyszłości, jest spowodowana tym zjawiskiem, powinniśmy być w stanie dostrzec bezpośredni związek między kwazarami a źródłami fal grawitacyjnych na niebie.powiedział profesor Zoltán Haiman z Columbia University, członek zespołu.

Fale grawitacyjne z pulsarów mogą być wykorzystane do badania wnętrza Słońca

Astronomia fal grawitacyjnych jest wciąż w początkowej fazie. Do tej pory skupiał się na najbardziej energetycznych i wyraźnych źródłach fal grawitacyjnych, takich jak kataklizmiczne łączenie się czarnych dziur i gwiazd neutronowych. Ale to się zmieni wraz z poprawą naszych teleskopów grawitacyjnych i pozwoli astronomom badać wszechświat w sposób wcześniej niemożliwy.

Chociaż fale grawitacyjne mają wiele podobieństw do fal świetlnych, jedną wyraźną różnicą jest to, że większość obiektów jest przezroczysta dla fal grawitacyjnych. Światło może być absorbowane, rozpraszane i blokowane przez materię, ale fale grawitacyjne w większości przechodzą przez materię. Mogą być soczewkowane przez masę obiektu, ale nie w pełni zablokowane. Oznacza to, że fale grawitacyjne mogą być używane jako narzędzie do zaglądania do wnętrza ciał astronomicznych, podobnie jak promieniowanie rentgenowskie lub MRI pozwalają nam zobaczyć wnętrze ludzkiego ciała.

Taka jest idea stojąca za niedawnymi badaniami dotyczącymi tego, w jaki sposób fale grawitacyjne można wykorzystać do badania wnętrza Słońca. Słońce jest tak niewiarygodnie gorące i gęste, że światło nie może go przeniknąć. Nawet światło wytwarzane w jądrze Słońca potrzebuje ponad 100 000 lat, aby dotrzeć do powierzchni Słońca. Nasze jedyne informacje o wnętrzu Słońca pochodzą z heliosejsmologii, gdzie astronomowie badają drgania powierzchni Słońca spowodowane falami dźwiękowymi wewnątrz Słońca.

Ścieżka trzech gwiazd neutronowych za Słońcem. Źródło: Takahashi et al

W tym nowym badaniu zespół przygląda się, w jaki sposób fale grawitacyjne szybko rotujących gwiazd neutronowych można wykorzystać do badania Słońca. Chociaż idealnie gładki obracający się obiekt nie tworzy fal grawitacyjnych, asymetryczne obiekty wirujące tak. Gwiazdy neutronowe mogą mieć deformacje lub górskie wzrosty spowodowane ich wewnętrznym ciepłem lub polami magnetycznymi. Jeśli taka gwiazda neutronowa obraca się szybko, wytwarza ciągły strumień fal grawitacyjnych. Te fale grawitacyjne są zbyt słabe, aby mogły być obserwowane przez obecne teleskopy, ale następna generacja obserwatoriów grawitacyjnych powinna być w stanie je wykryć.

Ponieważ gwiazdy neutronowe są dość powszechne w galaktyce, niektóre z nich są ustawione w taki sposób, że Słońce przechodzi przed nimi z naszej perspektywy. Z ponad 3 znanych pulsarów, około 000 z nich jest dobrymi kandydatami na źródła fal grawitacyjnych, a z tych 500 wiadomo, że przechodzą za Słońcem. Zespół wykorzystał profile tych trzech pulsarów jako punkt wyjścia.

Ponieważ Słońce jest przezroczyste dla fal grawitacyjnych, jedyny wpływ, jaki Słońce ma na nie, to jego masa grawitacyjna. Gdy fale przechodzą przez Słońce, są nieco soczewkowane grawitacyjnie. Ilość soczewkowania zależy od masy Słońca i rozkładu tej masy. Zespół odkrył, że przy odpowiednich pomiarach obserwacje fal grawitacyjnych mogą zmierzyć profil gęstości Słońca z dokładnością do 3 sigma.

Trzy znane pulsary to prawdopodobnie tylko niewielki ułamek źródeł fal grawitacyjnych, które przechodzą za Słońcem. Większość gwiazd neutronowych ma orientację spinową, która nie kieruje błysków radiowych w naszym kierunku, ale nadal mogą być używane jako sondy grawitacyjne. Prawdopodobnie istnieją setki szybko rotujących gwiazd neutronowych, które przechodzą za Słońcem w ciągu roku. Skoro jesteśmy w stanie obserwować ich fale grawitacyjne, powinny one dać nam doskonały widok wewnątrz naszej najbliższej gwiazdy.

Krótko przed zderzeniem dwie czarne dziury splątały czasoprzestrzeń w węzły

W lutym 2016 roku naukowcy z Laserowego Interferometru Obserwatorium Fal Grawitacyjnych (LIGO) ogłosili pierwsze w historii wykrycie fal grawitacyjnych (GW). Pierwotnie przewidywane przez Ogólną Teorię Względności Einsteina , fale te są zmarszczkami w czasoprzestrzeni, które pojawiają się, gdy łączą się masywne obiekty (takie jak czarne dziury i gwiazdy neutronowe). Od tego czasu niezliczone zdarzenia związane z GW zostały wykryte przez obserwatoria na całym świecie – do tego stopnia, że ​​stały się niemal codziennym zjawiskiem. Pozwoliło to astronomom uzyskać wgląd w niektóre z najbardziej ekstremalnych obiektów we Wszechświecie. W niedawnym badaniu międzynarodowy zespół naukowców kierowany przez Cardiff University zaobserwował podwójny system czarnych dziur wykryty pierwotnie w 2020 r. przez Advanced LIGO , Virgo i Kamioki Gravitational Wave Observatory (KAGRA). W trakcie tego procesu zespół zauważył osobliwy ruch skręcający (czyli precesję) na orbitach dwóch zderzających się czarnych dziur, który był 10 miliardów razy szybszy niż w przypadku innych obiektów precesyjnych. Jest to pierwszy przypadek zaobserwowania precesji w przypadku podwójnych czarnych dziur, co potwierdza jeszcze inne zjawisko przewidywane przez Ogólną Teorię Względności (GR).

Zespołem kierowali profesor Mark Hannam, dr Charlie Hoy i dr Jonathan Thompson z Instytutu Eksploracji Grawitacji na Uniwersytecie Cardiff. Dołączyli do nich naukowcy z Laboratorium LIGO , Instytutu Nauki i Technologii w Barcelonie , Instytutu Fizyki Grawitacyjnej im. Maxa Plancka , Instytutu Astronomii Fal Grawitacyjnych , Centrum Doskonałości ARC ds. Odkrywania Fal Grawitacyjnych , Sojuszu Fizyki Szkockich Uniwersytetów (SUPA) . ) oraz inne instytuty badawcze GW.

Binarne czarne dziury (BBH) są uważane za głównego kandydata do badania GW, ponieważ astronomowie spodziewają się, że niektóre z nich będą składać się z wcześniejszych plików binarnych. W tym scenariuszu czarne dziury będą krążyć wokół siebie po coraz bardziej zawężających się orbitach, generując coraz silniejszy sygnał GW, dopóki się nie połączą. Jednak nie zaobserwowano ostatecznych dowodów precesji orbitalnej w 84 systemach BBH wykrytych do tej pory przez Advanced LIGO i Virgo. Jednak zespół zauważył coś innego podczas badania zdarzenia GW200129 wykrytego przez współpracę LIGO–Virgo–KAGRA podczas jej trzeciego uruchomienia operacyjnego (O3).

Jedna z czarnych dziur w tym układzie (~40 mas Słońca) jest uważana za najszybciej wirującą czarną dziurę, jaką kiedykolwiek wykryto za pomocą fal grawitacyjnych. W przeciwieństwie do wszystkich poprzednich obserwacji BBH, szybka rotacja systemu ma tak głęboki wpływ na czasoprzestrzeń, że cały system chwieje się tam iz powrotem. Ta forma precesji jest znana jako Przeciąganie Ramki (inaczej efekt Lense-Thirring), interpretacja GR, w której siły grawitacyjne są tak silne, że „ciągną” za sobą samą tkankę czasoprzestrzeni.

To samo zjawisko można zaobserwować podczas obserwacji orbity Merkurego, która okresowo zanika, gdy krąży wokół Słońca. Krótko mówiąc, ścieżka Merkurego wokół Słońca jest bardzo ekscentryczna, a najbardziej odległy punkt na jego orbicie (peryhelium) również porusza się w czasie, obracając się wokół Słońca jak wirujący bączek. Te obserwacje są jednym ze sposobów testowania (i potwierdzania) GR po tym, jak Einstein sformalizował go w 1916 roku. Ogólnie rzecz biorąc, precesja w ogólnej teorii względności jest zwykle tak słabym efektem, że jest prawie niezauważalna. Jak wyjaśnił dr Thompson w niedawnym komunikacie prasowym Uniwersytetu Cardiff :

To bardzo trudny do zidentyfikowania efekt. Fale grawitacyjne są niezwykle słabe i ich wykrycie wymaga najczulszego aparatu pomiarowego w historii. Precesja jest jeszcze słabszym efektem ukrytym w i tak już słabym sygnale, więc musieliśmy przeprowadzić dokładną analizę, aby go odkryć.

Wcześniej najszybszym znanym przykładem był podwójny pulsar, którego przetworzenie na orbicie zajęło ponad 75 lat. W tym przypadku BBH znany jako GW200129 (obserwowany 29 stycznia 2020 r.) przetwarza kilka razy na sekundę, efekt 10 miliardów razy silniejszy niż pulsar podwójny. Mimo to potwierdzenie, że czarne dziury w tym układzie ulegały precesji, było poważnym wyzwaniem. Powiedział dr Hoy, który jest obecnie naukowcem na Uniwersytecie Portsmouth:

To bardzo trudny do zidentyfikowania efekt. Fale grawitacyjne są niezwykle słabe i ich wykrycie wymaga najczulszego aparatu pomiarowego w historii. Precesja jest jeszcze słabszym efektem ukrytym w i tak już słabym sygnale, więc musieliśmy przeprowadzić dokładną analizę, aby go odkryć.

Wyniki te potwierdzają, że zanim czarne dziury się połączą – najbardziej ekstremalne zdarzenie grawitacyjne, jakie astronomowie kiedykolwiek zaobserwowali – BBH mogą doświadczyć precesji orbitalnej. Jest to również najnowszy z długiej serii przykładów, które pokazują, w jaki sposób astronomia GW pozwala astronomom badać prawa fizyki w najbardziej ekstremalnych warunkach, jakie można sobie wyobrazić. Dzięki sieci składającej się z detektorów Advanced LIGO, Virgo i KAGRA w USA, Europie i Japonii jest to również jedna z najbardziej dynamicznych dziedzin badań astronomicznych.

Sieć ta jest obecnie aktualizowana w celu zwiększenia jej wrażliwości na zdarzenia GW i rozpocznie czwartą rundę obserwacji (O4) w 2023 roku. Kiedy to nastąpi, mamy nadzieję, że kilkaset kolizji czarnych dziur zostanie wykrytych i dodanych do katalogu GW. Pozwoli to astronomom uzyskać lepszy wgląd w najbardziej ekstremalne zjawisko grawitacyjne we Wszechświecie i dowiedzieć się, czy GW200129 był wartością odstającą, czy też takie ekstremalne zdarzenia są częstym zjawiskiem.

 

Fale grawitacyjne istnieją, dowód mamy od szeciu lat

Równo 6 lat temu z pomocą instrumentu LIGO zaobserwowano w Stanach Zjednoczonych pierwszy sygnał, który był oznaką falujących zmian w tkance czasoprzestrzeni.

Fale grawitacyjne zaobserwowano po raz pierwszy 14 września 2015 roku. Ponad dwa lata później, 3 października 2017, Rainer Weiss, Barry C. Barish i Kip S. Thorne otrzymali Nagrodę Nobla z dziedziny fizyki „za decydujący wkład w stworzenie detektora LIGO i obserwację fal grawitacyjnych”
Do dziś zaobserwowano przynajmniej 22 źródła fal grawitacyjnych  Sygnał ten (przełożony na fale dźwiękowe) przypominał ptasi świergot. Zjawisko powstało w wyniku połączenia się z sobą dwóch czarnych dziur o masach około 29 i 36 mas Słońca, a miało to miejsce około miliarda lat świetlnych od Ziemi.
Źródłami fal grawitacyjnych mogą być przede wszystkim układy podwójne gwiazd zawierające składniki zwarte: gwiazdy neutronowe i czarne dziury. Zlewające się ze sobą pary takich gwiazd są prawdopodobnie powiązane z niektórymi krótkotrwałymi błyskami gamma.