Jak powstają czarne dziury? Kosmos dał nową odpowiedź

153 sygnały ujawniły nowy trop

Do takich wniosków doszedł międzynarodowy zespół naukowców między innymi z brytyjskiego Cardiff University i amerykańskiego Northwestern University. Przeanalizowali katalog obserwatoriów obejmujący 153 wystarczająco pewne sygnały pochodzące z połączeń czarnych dziur. To zdarzenia rejestrowane dzięki falom grawitacyjnym, delikatnym drganiom czasoprzestrzeni, które Albert Einstein przewidział ponad sto lat temu.

Badacze zweryfikowali pewną tezę. Sprawdzili, czy to prawda, że najcięższe czarne dziury wykryte w latach 2023-2024 są obiektami drugiej generacji. Innymi słowy: nie musiały powstać bezpośrednio po zapadnięciu się jednej masywnej gwiazdy. Mogły narodzić się wtedy, gdy wcześniejsze czarne dziury najpierw się połączyły, a później same ponownie zderzyły się w gęstych jądrach gromad gwiazd. W takich miejscach gwiazdy mogą być upakowane nawet milion razy ciaśniej niż w okolicy Słońca.

Najcięższe czarne dziury odstają od reszty

Wyniki opublikowane w Nature Astronomy pokazują, że w danych widać dwie różne populacje czarnych dziur. Pierwsza, o niższej masie, pasuje do klasycznego scenariusza zapadania się masywnych gwiazd. Druga to populacja cięższych obiektów. Jej spiny, czyli sposób, w jaki czarne dziury wirują, wyglądają tak, jak można się spodziewać po hierarchicznych zderzeniach w gęstych gromadach gwiazd. To właśnie cięższa grupa zaskoczyła badaczy najbardziej.

Najbardziej zaskoczyło nas to, jak wyraźnie czarne dziury o dużej masie wyróżniają się jako osobna populacja.

– powiedziała dr Isobel Romero-Shaw, jedna z autorek badania, w komunikacie prasowym.

Fale grawitacyjne Einsteina zdradziły różnicę

Teza sprawdziła się częściowo. Cięższe układy czarnych dziur obracają się szybko i są skierowane pozornie w losowych kierunkach. I to właśnie takiego sygnału można się spodziewać, jeżeli czarne dziury wielokrotnie zlewają się w gęstych gromadach gwiazd. Inaczej było z układami niskiej masy, ponieważ one zwykle obracały się powoli. Ale to badanie jest cenne jeszcze z innego powodu.

Powyżej tej granicy zaczyna się zagadka

Praca międzynarodowych specjalistów dostarcza też jednych z najmocniejszych jak dotąd dowodów na istnienie tzw. luki masowej. Zgodnie z teorią niestabilności par część bardzo masywnych gwiazd nie powinna kończyć życia jako czarne dziury. Zamiast tego może zostać całkowicie rozerwana, zanim zdąży utworzyć taki obiekt. Właśnie dlatego fizycy od lat mówią o zakresie mas, w którym czarne dziury nie powinny powstawać bezpośrednio z pojedynczych gwiazd.

Eksperci sądzą, że dolna granica tej luki prawdopodobnie znajduje się w okolicach 45 mas Słońca. Według nich te czarne dziury, które mają większą masę, powstają w wyniku połączeń.

Jak powstają czarne dziury? Tajemnica agonii gwiazd

Wyniki dowodzą więc nie tylko o tym, jak powstają czarne dziury. Pokazują także coś więcej o agonii największych gwiazd i o tym, co dzieje się w miejscach, gdzie ciała gwiazdowe tłoczą się miliony razy gęściej niż w kosmicznym sąsiedztwie Słońca. To tam jedna katastrofa może być początkiem następnej.

Powyżej około 45 mas Słońca rozkład spinów zmienia się w sposób trudny do wyjaśnienia wyłącznie za pomocą zwykłych układów podwójnych gwiazd, ale naturalnie wyjaśnialny, jeśli te czarne dziury przeszły już wcześniejsze zderzenia w gęstych gromadach.

– dodaje dr Romero-Shaw.

Kosmiczne dane pomagają fizyce jądrowej

Specjaliści wykorzystali tę analizę również po to, by przyjrzeć się ważnej reakcji jądrowej zachodzącej podczas spalania helu we wnętrzach masywnych gwiazd. W ten sposób dane z fal grawitacyjnych mogą pomóc nie tylko w badaniu czarnych dziur w kosmosie, ale także w dalszych odkryciach fizyki jądrowej gwiazd. Granica mas wyznaczana przez niestabilność par zależy bowiem od reakcji jądrowych zachodzących w jądrach najbardziej masywnych gwiazd.

Warto przeczytać: Czarne dziury mogą występować na Ziemi. Uczeni wiedzą, jak ich szukać