Astronomowie od dawna mają do czynienia z tajemniczym zdarzeniem związanym z falą grawitacyjną zarejestrowanym w 2023 roku – zderzeniem dwóch czarnych dziur, które zaprzecza istniejącym poglądom na temat powstawania tak masywnych i szybko wirujących obiektów. Zagadka została wreszcie rozwiązana dzięki wyrafinowanym modelom komputerowym, które ujawniają kluczową rolę pól magnetycznych w powstawaniu tych kosmicznych gigantów.
W listopadzie 2023 roku detektory naziemne, takie jak LIGO, Virgo i KAGRA, zarejestrowały fluktuacje w czasie i przestrzeni zwane falami grawitacyjnymi. Sygnał oznaczony jako GW231123 wskazywał na zderzenie dwóch czarnych dziur znajdujących się w odległości około 7 miliardów lat świetlnych. Jednak charakterystyka tych czarnych dziur wprawiła astronomów w zakłopotanie: każda z nich miała masę około 100–140 mas naszego Słońca i obracała się z prędkościami bliskimi prędkości światła.
Jaki jest problem? Obecne teorie mówią, że gwiazdy o masie wystarczającej do zapadnięcia się w czarne dziury o tak niezwykłych masach powinny eksplodować jako „supernowe niestabilne w parach”. Te katastrofalne zdarzenia są tak potężne, że nie pozostawiają po sobie niczego, a co dopiero czarnej dziury. Dlatego naukowcy nie spodziewali się, że czarne dziury uformują się w zakresie mas od około 70 do 140 mas Słońca.
Chociaż czarne dziury mogą istnieć w tej „luce masowej” po połączeniu istniejących mniejszych czarnych dziur, w tym przypadku było to mało prawdopodobne. Połączenia zakłócają rotację czarnej dziury, ale zderzające się obiekty w GW231123 wirowały niewiarygodnie szybko – z teoretyczną maksymalną prędkością rotacji. Oznaczało to, że w grę wchodziło coś zupełnie innego.
Zespół kierowany przez astrofizyka Ore Gottlieba z Centrum Astrofizyki Obliczeniowej (CCA) Instytutu Flatiron podjął się tego zadania, uruchamiając złożone modele komputerowe ewolucji gwiazd i supernowych. Ich główne danie na wynos? Rola pól magnetycznych w ostatnich chwilach życia gwiazdy.
Pola magnetyczne przepisują scenariusz
W poprzednich badaniach często pomijano pola magnetyczne w tych ekstremalnych scenariuszach. Gottlieb i jego zespół włączyli je do swoich modeli, odkrywając fascynujący zwrot: pola magnetyczne mogą znacząco wpływać na zachowanie pozostałej materii gwiazdy po supernowej.
Symulowali śmierć masywnej gwiazdy o masie około 250 mas Słońca, obserwując, jak traci ona większość swojej masy, zanim zapadnie się, tworząc czarną dziurę. Następnie w bardziej złożonej symulacji wzięli pod uwagę wirujące pola magnetyczne obecne w rozszerzającym się obłoku gruzu otaczającym nowo utworzoną czarną dziurę.
„Odkryliśmy, że te pola magnetyczne mogą wypychać część pozostałej materii z prędkością niemal równą prędkości światła” – wyjaśnił Gottlieb. Im szybciej gwiazda się obracała i im silniejsze pole magnetyczne, tym skuteczniej można było odrzucić materię.
Ten proces odrzucania w rzeczywistości zmniejsza masę przenoszoną na czarną dziurę. Oznacza to, że nawet masywna poprzedniczka gwiazdy może pozostawić po sobie stosunkowo mniejszą czarną dziurę w zabronionym zakresie mas. Symulacja wykazała, że w pewnych warunkach może zostać wyrzucona połowa początkowej masy gwiazdy!
Nowa era w zrozumieniu czarnych dziur
Odkrycie ma daleko idące implikacje dla naszej wiedzy na temat powstawania i ewolucji czarnych dziur. Zakłada:
- Związek między masą, spinem i magnetyzmem: Silniejsze pola magnetyczne mogą powodować powstawanie lżejszych, wolniej wirujących czarnych dziur, podczas gdy słabsze pola mogą powodować powstawanie masywniejszych i szybciej wirujących czarnych dziur. To połączenie otwiera nowe możliwości eksploracji.
- Testowanie rozbłysków promieni gamma: Symulacje przewidują, że powstawaniu czarnych dziur o zakazanej masie powinien towarzyszyć rozbłysk promieni gamma – wysokoenergetycznego światła, które można wykryć na Ziemi. Odkrycie takiej eksplozji dostarczyłoby mocnych dowodów na poparcie tego modelu.
Tajemnica GW231123 została rozwiązana, ale rodzi jeszcze bardziej intrygujące pytania dotyczące złożonej interakcji pól magnetycznych i grawitacji podczas dramatycznych końcowych momentów życia masywnych gwiazd. Pokazuje, jak pozornie „niemożliwe” zdarzenia mogą ujawnić niesamowite prawdy o najbardziej tajemniczych obiektach we wszechświecie.
