Naukowcy wykryli największe jak dotąd połączenie się czarnych dziur, o masie 225 razy większej od masy Słońca: „Na granicy tego, co jest obecnie możliwe”.

Międzynarodowa współpraca LIGO-Virgo-KAGRA (LVK) wykryła fuzję najmasywniejszych czarnych dziur, jakie kiedykolwiek zaobserwowano za pomocą fal grawitacyjnych, za pomocą obserwatoriów LIGO finansowanych przez amerykańską Narodową Fundację Nauki (NSF). W wyniku potężnej fuzji powstała czarna dziura o masie około 225 mas Słońca. Sygnał, oznaczony jako GW231123, został zarejestrowany podczas czwartego cyklu obserwacyjnego sieci LVK 23 listopada 2023 roku.

LIGO, Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, w 2015 roku dokonało historycznego odkrycia, po raz pierwszy bezpośrednio wykrywając fale grawitacyjne – zmarszczki w czasoprzestrzeni. Fale te pochodziły z połączenia czarnych dziur, w wyniku którego powstała czarna dziura o masie 62 razy większej od masy Słońca. Sygnał został zarejestrowany wspólnie przez dwa detektory LIGO, jeden w Livingston w Luizjanie, a drugi w Hanford w stanie Waszyngton.

Od tego czasu zespół LIGO połączył siły z partnerami z detektora Virgo we Włoszech i KAGRA (detektora fal grawitacyjnych Kamioka) w Japonii, tworząc współpracę KLV. Detektory te łącznie zaobserwowały ponad 200 zderzeń czarnych dziur w czwartym cyklu analizy i około 300 łącznie od rozpoczęcia pierwszego cyklu w 2015 roku.

Do tej pory najmasywniejsze połączenie czarnych dziur (wywołane przez zdarzenie GW190521, które miało miejsce w 2021 roku) miało masę całkowitą 140 razy większą niż masa Słońca. W ostatnim zdarzeniu, GW231123, czarna dziura o masie 225 mas Słońca powstała w wyniku połączenia się czarnych dziur, z których każda miała masę około 100 i 140 razy większą niż masa Słońca.

Oprócz dużej masy, czarne dziury również szybko wirują. „To najmasywniejszy układ podwójny czarnych dziur, jaki zaobserwowaliśmy za pomocą fal grawitacyjnych, i stanowi on realne wyzwanie dla naszego zrozumienia procesu formowania się czarnych dziur” – zauważa Mark Hannam z Uniwersytetu w Cardiff i członek współpracy LVK. „Czarne dziury o tej masie są wykluczone w standardowych modelach ewolucji gwiazd. Jedną z możliwości jest to, że dwie czarne dziury w tym układzie podwójnym powstały w wyniku wcześniejszych połączeń mniejszych czarnych dziur”.

Dave Reitze, dyrektor wykonawczy LIGO w Caltech, wyjaśnia: „Ta obserwacja pokazuje po raz kolejny, w jaki wyjątkowy sposób fale grawitacyjne ujawniają fundamentalną i egzotyczną naturę czarnych dziur w całym wszechświecie”.

Duża masa i ekstremalnie szybki obrót czarnych dziur w GW231123 wystawiają na próbę ograniczenia zarówno technologii detekcji fal grawitacyjnych, jak i obecnych modeli teoretycznych. Wydobycie dokładnych informacji z sygnału wymagało zastosowania modeli uwzględniających złożoną dynamikę szybko rotujących czarnych dziur.

„Czarne dziury wydają się wirować bardzo szybko, blisko granicy dozwolonej przez ogólną teorię względności Einsteina ” – wyjaśnia Charlie Hoy z Uniwersytetu w Portsmouth (Wielka Brytania) i członek LVK. „To utrudnia modelowanie i interpretację sygnału. To doskonały przykład do dalszego rozwoju naszych narzędzi teoretycznych”.

Naukowcy stale udoskonalają swoje analizy i modele wykorzystywane do interpretacji tych ekstremalnych zdarzeń. „Miną lata, zanim społeczność w pełni rozwikła ten zawiły schemat sygnałów i wszystkie jego implikacje” – potwierdza Gregorio Carullo z Uniwersytetu w Birmingham (Wielka Brytania) i członek LVK. „Chociaż najbardziej prawdopodobnym wyjaśnieniem pozostaje połączenie czarnych dziur, bardziej złożone scenariusze mogą być kluczem do rozszyfrowania ich nieoczekiwanych cech”.

Detektory fal grawitacyjnych, takie jak LIGO, Virgo i KAGRA, zostały zaprojektowane do pomiaru drobnych zniekształceń czasoprzestrzeni spowodowanych gwałtownymi wydarzeniami kosmicznymi. Czwarty cykl obserwacji rozpoczął się w maju 2023 roku, a dodatkowe obserwacje z pierwszej połowy cyklu (do stycznia 2024 roku) zostaną opublikowane jeszcze tego lata.

„To wydarzenie przesuwa granice naszych możliwości w zakresie instrumentów i analizy danych do granic obecnych możliwości ” – mówi Sophie Bini, badaczka podoktorska w Caltech i członkini LVK. „To dobitny przykład tego, jak wiele możemy się nauczyć z astronomii fal grawitacyjnych i jak wiele jeszcze pozostaje do odkrycia”.