W styczniu 2016 r. Naukowcy z Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) zapisali się w historii, kiedy ogłosili pierwsze w historii wykrycie fal grawitacyjnych. Wspierany przez National Science Foundation (NSF) i obsługiwany przez Caltech i MIT, LIGO zajmuje się badaniem fal przewidywanych przez Teorię ogólnej teorii względności Einsteina i powodowanych przez połączenia czarnych dziur.
Według nowego badania przeprowadzonego przez zespół astronomów z Center of Cosmology na University of California Irvine, takie połączenia są znacznie częstsze, niż nam się wydawało. Po przeprowadzeniu badania kosmosu, który miał obliczyć i sklasyfikować czarne dziury, zespół UCI ustalił, że w galaktyce może być aż 100 milionów czarnych dziur, co ma znaczące implikacje dla badań fal grawitacyjnych.
Badanie, które szczegółowo opisuje ich odkrycia, zatytułowane „Liczenie czarnych dziur: populacja kosmicznej pozostałości gwiezdnej i implikacje dla LIGO”, niedawno pojawiło się w Miesięczne zawiadomienia Royal Astronomical Society. Zespół pod kierunkiem Olivera D. Elberta, studenta postdoc w Wydziale Fizyki i Astronomii w UC Irvine, przeprowadził analizę sygnałów fal grawitacyjnych wykrytych przez LIGO.
Badanie rozpoczęło się około półtora roku temu, wkrótce po tym, jak LIGO ogłosiło pierwsze wykrycie fal grawitacyjnych. Fale te powstały w wyniku połączenia dwóch odległych czarnych dziur, z których każda miała masę odpowiadającą około 30 Słońcom. Jak wyjaśnił James Bullock, profesor fizyki i astronomii na UC Irvine i współautor artykułu, w komunikacie prasowym UCI:
„Zasadniczo wykrywanie fal grawitacyjnych było ogromną sprawą, ponieważ było potwierdzeniem kluczowej prognozy ogólnej teorii względności Einsteina. Ale potem przyjrzeliśmy się bliżej astrofizyce rzeczywistego wyniku, fuzji dwóch czarnych dziur o masie 30 Słońca. To było po prostu zdumiewające i sprawiło, że zapytaliśmy: „Jak często występują czarne dziury tego rozmiaru i jak często się łączą?” ”
Tradycyjnie astronomowie byli zdania, że czarne dziury miałyby zwykle taką samą masę jak nasze Słońce. W związku z tym starali się interpretować detekcje wielu fal grawitacyjnych dokonane przez LIGO w kategoriach tego, co wiadomo o tworzeniu galaktyk. Poza tym starali się również stworzyć ramy do przewidywania przyszłych połączeń czarnych dziur.
Na tej podstawie doszli do wniosku, że Galaktyka Drogi Mlecznej będzie domem dla 100 milionów czarnych dziur, z których 10 milionów będzie miało masę około 30 mas Słońca - tj. Podobnych do tych, które się połączyły i wytworzyły pierwsze fale grawitacyjne wykrywane przez LIGO w 2016 r. Tymczasem galaktyki karłowate - podobnie jak krasnolud Draco, który krąży w odległości około 250 000 ly od centrum naszej galaktyki - będą gościć około 100 czarnych dziur.
Ponadto ustalili, że obecnie większość małych czarnych dziur (~ 10 mas Słońca) znajduje się w galaktykach o wartości 1 tryliona mas Słońca (galaktyk masywnych), podczas gdy masywne czarne dziury (~ 50 mas Słońca) znajdują się w galaktykach o około 10 miliardach mas Słońca (tj. galaktyki karłowate). Po rozważeniu związku między masą galaktyki a metalicznością gwiezdną, zinterpretowali liczbę czarnych dziur galaktyki jako funkcję masy gwiezdnej.
Ponadto starali się ustalić, jak często pojawiają się czarne dziury parami, jak często się łączą i jak długo to zajmie. Ich analiza wykazała, że tylko niewielka część czarnych dziur musiałaby być zaangażowana w fuzje, aby uwzględnić to, co zaobserwował LIGO. Oferuje także prognozy pokazujące, w jaki sposób jeszcze większe czarne dziury mogą się łączyć w ciągu następnej dekady.
Jak wyjaśnił Manoj Kaplinghat, również profesor fizyki i astronomii UCI oraz drugi współautor badań:
„Pokazujemy, że tylko 0,1 do 1 procent utworzonych czarnych dziur musi się połączyć, aby wyjaśnić, co widział LIGO. Oczywiście czarne dziury muszą się zbliżyć wystarczająco blisko, aby połączyć się w rozsądnym czasie, co jest otwartym problemem… Jeśli obecne pomysły na temat ewolucji gwiazd są słuszne, nasze obliczenia wskazują, że połączenia nawet czarnych dziur o masie 50 Słońca zostać wykryty za kilka lat. ”
Innymi słowy, nasza galaktyka może być pełna czarnych dziur, a fuzje mogą odbywać się regularnie (w stosunku do kosmologicznych skal czasowych). W związku z tym możemy spodziewać się, że w nadchodzących latach będzie możliwe znacznie więcej detekcji fal grawitacyjnych. Nie powinno to dziwić, biorąc pod uwagę, jak LIGO dokonało dwóch dodatkowych detekcji od zimy 2016 roku.
Spodziewając się, że pojawi się o wiele więcej, astronomowie będą mieli wiele okazji do badania połączeń czarnych dziur, nie wspominając już o fizyce, która je napędza!
