Astronomowie obserwują połączenie dwóch czarnych dziur, które w rzeczywistości nie powinny istnieć

Kiedy dwie czarne dziury się łączą, uwalniane są gigantyczne ilości energii – tak duże, że nawet przestrzeń i czas zaczynają drżeć. Te oscylacje czasoprzestrzeni rozchodzą się falowo i można je wykryć na Ziemi za pomocą czułych detektorów fal grawitacyjnych.

Stało się to już rutyną. Od 2015 roku zarejestrowano około 300 połączeń czarnych dziur. Jednak astronomia fal grawitacyjnych zawsze jest pełna niespodzianek. 23 listopada 2023 roku dwa detektory obserwatorium LIGO w USA zarejestrowały połączenie dwóch zaskakująco masywnych czarnych dziur. Trudno to pogodzić z obecnymi modelami ewolucji gwiazd.

Czarna dziura powstaje, gdy masywna gwiazda wyczerpie swoje zapasy paliwa. Nie ma już promieniowania, które mogłoby przeciwdziałać grawitacji. Gwiazda zapada się i odrzuca swoje zewnętrzne warstwy w eksplozji supernowej. Pozostaje czarna dziura. Jest tak gęsta, że nawet światło nie może się z niej wydostać.

Masa powstałej czarnej dziury zależy od masy gwiazdy macierzystej. Wydaje się jednak, że istnieje tu naturalna granica.

Modele ewolucji gwiazd przewidują, że czarne dziury o masie od 60 do 130 razy większej od masy Słońca nie powinny istnieć. Powodem tego jest zjawisko występujące w masywnych gwiazdach. Zjawisko to, zwane niestabilnością par, powoduje chwilowy spadek ciśnienia wewnątrz gwiazdy, mimo że wciąż ma ona dużo paliwa. Gwiazda się kurczy. To z kolei wywołuje niekontrolowaną reakcję łańcuchową termojądrową, która całkowicie rozrywa gwiazdę. Nic z niej nie pozostaje, w tym żadna czarna dziura.

Jeśli to rozumowanie jest poprawne, obserwacja z 23 listopada 2023 roku pozostaje zagadką. Tego dnia detektory LIGO zarejestrowały krótki sygnał fali grawitacyjnej, składający się z zaledwie kilku cykli oscylacji. Naukowcy porównali sygnał z pięcioma modelowanymi falami i wywnioskowali, że dwie czarne dziury o masach 137 i 104 mas Słońca musiały się połączyć. Obie masy obarczone są stosunkowo dużymi niepewnościami. Przynajmniej mniejsza z nich leży dokładnie w obszarze zakazanym. Teoretycznie zatem czarna dziura w ogóle nie powinna istnieć.

Duże masy to nie jedyna niezwykła cecha. Analiza wykazała również, że przed połączeniem obie czarne dziury obracały się niemal z maksymalną możliwą prędkością.

Jeśli dwie czarne dziury nie mogły powstać w wyniku zapadnięcia się dwóch wypalonych gwiazd, musi istnieć inne wyjaśnienie. Naukowcy rozważają kilka możliwości. Na przykład, mogą to być pierwotne czarne dziury. Te hipotetyczne obiekty mogły powstać wkrótce po Wielkim Wybuchu, gdy gwiazdy jeszcze nie istniały.

Jednak inna możliwość jest bardziej prawdopodobna. Dzięki detektorom fal grawitacyjnych wiemy teraz, że czarne dziury krążące wokół siebie prędzej czy później się połączą, pozostawiając po sobie czarną dziurę o większej masie. W konsekwencji, połączenie dwóch czarnych dziur zaobserwowane 23 listopada 2023 roku mogło być efektem wcześniejszych zderzeń. To z łatwością wyjaśniałoby ich „zakazaną” masę.

Jednak to wyjaśnienie ma pewien haczyk. Fuzja czarnych dziur wymaga czasu, wyjaśnia Héctor Estellés Estrella z Instytutu Fizyki Grawitacyjnej im. Maxa Plancka w Poczdamie, który brał udział w analizie danych. W związku z tym wątpliwe jest, czy hierarchiczna fuzja czarnych dziur zachodzi wystarczająco szybko. Wymaga ona środowiska o dużej gęstości gwiazd, takiego jak gromada kulista.

Obecnie nie da się ustalić historii obu czarnych dziur. „Krótki sygnał zawiera bardzo mało informacji” – mówi Estrella. Aby lepiej go zrozumieć, potrzebne są bardziej szczegółowe modele porównawcze. Obecnie trwają nad nimi prace. Estrella jest zatem przekonana, że wkrótce pojawią się dokładniejsze informacje na temat tego, jak mogą powstawać czarne dziury o masie wzbronionej.