Kiedy czarne dziury zderzają się we wszechświecie, starcie to wstrząsa przestrzenią i czasem: ilość energii uwolnionej podczas fuzji jest tak wielka, że powoduje drgania czasoprzestrzeni, podobne do fal na powierzchni wody. Te fale grawitacyjne rozchodzą się po całym wszechświecie i nadal mogą być mierzone tysiące lat świetlnych od nas, tak jak to miało miejsce 21 maja 2019 roku, kiedy dwa obserwatoria fal grawitacyjnych LIGO (USA) i Virgo (Włochy) uchwyciły taki sygnał. Nazwane GW190521 po dacie jego odkrycia, zdarzenie związane z falami grawitacyjnymi od tego czasu wywołało dyskusję wśród ekspertów, ponieważ wyraźnie różni się od wcześniej mierzonych sygnałów.

Sygnał początkowo był interpretowany jako oznaczający, że w zderzeniu brały udział dwie czarne dziury poruszające się po prawie kołowych orbitach wokół siebie. „Takie układy podwójne mogą powstać w wyniku wielu procesów astrofizycznych” – wyjaśnia prof. Sebastiano Bernuzzi, fizyk teoretyczny z Uniwersytetu w Jenie w Niemczech. Na przykład większość czarnych dziur odkrytych przez LIGO i Virgo jest pochodzenia gwiezdnego. „Oznacza to, że są pozostałościami po masywnych gwiazdach w układach podwójnych gwiazd” – dodaje Bernuzzi, który kierował obecnymi badaniami. Takie czarne dziury krążą wokół siebie po quasi-okrągłych orbitach, tak jak wcześniej robiły to oryginalne gwiazdy.

Jedna czarna dziura przechwytuje drugą

„GW190521 zachowuje się jednak znacznie inaczej” – wyjaśnia Rossella Gamba. Główna autorka publikacji robi doktorat w Jena Research Training Group 2522 i jest częścią zespołu Bernuzzi. „Jego morfologia i struktura przypominająca wybuch są bardzo różne od wcześniejszych obserwacji”. Rossella Gamba i jej koledzy wyruszyli więc w poszukiwaniu alternatywnego wyjaśnienia dla niezwykłego sygnału fal grawitacyjnych. Używając kombinacji najnowocześniejszych metod analitycznych i symulacji numerycznych na superkomputerach, obliczyli różne modele kosmicznej kolizji. Doszli do wniosku, że musiało ono nastąpić na silnie ekscentrycznym torze zamiast na quasi-okrągłym. Czarna dziura początkowo porusza się swobodnie w środowisku stosunkowo gęsto wypełnionym materią, a gdy tylko zbliży się do innej czarnej dziury, może zostać „przechwycona” przez pole grawitacyjne drugiej. To również prowadzi do powstania układu podwójnego, ale tutaj obie czarne dziury nie orbitują po okręgu, lecz poruszają się ekscentrycznie, w ruchach tumblrowych wokół siebie.

„Taki scenariusz wyjaśnia obserwacje znacznie lepiej niż jakakolwiek inna przedstawiona dotychczas hipoteza. Prawdopodobieństwo wynosi 1:4300” – mówi Matteo Breschi, doktorant i współautor badania, który opracował infrastrukturę do analizy. A badacz postdoktorancki dr Gregorio Carullo dodaje: „Nawet jeśli obecnie nie wiemy dokładnie, jak częste są takie dynamiczne ruchy czarnych dziur, nie spodziewamy się, że będą one częstym zjawiskiem”. To sprawia, że obecne wyniki są tym bardziej ekscytujące, dodaje. Niemniej jednak potrzebne są dalsze badania, aby wyjaśnić ponad wszelką wątpliwość procesy, które stworzyły GW190521.

Praca zespołowa w grupie szkoleniowej ds. badań

Na potrzeby obecnego projektu zespoły w Turynie i Jenie (w ramach finansowanej przez Niemiecką Fundację Badawczą Jena Research Training Group 2522 „Dynamics and Criticality in Quantum and Gravitational Systems”) opracowały ogólne relatywistyczne ramy dla ekscentrycznej fuzji czarnych dziur i zweryfikowały analityczne przewidywania za pomocą symulacji równań Einsteina. Po raz pierwszy modele dynamicznych spotkań zostały wykorzystane w analizie danych obserwacyjnych fal grawitacyjnych.

Źródło: Friedrich-Schiller-Universitaet Jena, Ute Schönfelde