Złapana w fatalną wewnętrzną spiralę gwiazda neutronowa spotkała swój koniec, gdy czarna dziura połknęła ją w całości. Fale grawitacyjne z tego zderzenia rozprzestrzeniły się na zewnątrz przez kosmos, ostatecznie docierając do Ziemi. Wykrycie tych fal oznacza pierwsze odnotowane dostrzeżenie czarnej dziury otaczającej gęstą pozostałość martwej gwiazdy. I niespodziewanym zwrotem akcji, naukowcy zauważyli drugą taką fuzję zaledwie kilka dni po pierwszej.
Do tej pory wszystkie zidentyfikowane źródła fal grawitacyjnych były dwójkami: albo dwie czarne dziury, albo dwie gwiazdy neutronowe, krążące wokół siebie, zanim zderzyły się i połączyły. Gwałtowne zderzenia kosmiczne tworzą fale, które rozciągają i ściskają tkankę czasoprzestrzeni, fale, które mogą być wytłumione przez czułe detektory.
Niedopasowane połączenie czarnej dziury i gwiazdy neutronowej było ostatnim rodzajem połączenia, jakie naukowcy spodziewali się znaleźć w obecnych obserwatoriach fal grawitacyjnych. Zupełnie zbiegiem okoliczności naukowcy zauważyli dwa z tych zdarzeń w ciągu 10 dni od siebie, jak donoszą partnerzy LIGO, Virgo i KAGRA w Astrophysical Journal Letters.
Zjednoczenia między czarnymi dziurami i gwiazdami neutronowymi nie tylko nie były wcześniej obserwowane za pomocą fal grawitacyjnych, ale także nigdy nie zostały zauważone w żaden inny sposób.
„To absolutne pierwsze spojrzenie”, mówi fizyk teoretyczny Susan Scott z Australian National University w Canberze, członek współpracy LIGO.
Wynik dodaje kolejny znacznik do zestawienia nowych odkryć dokonanych za pomocą fal grawitacyjnych. „Warto to świętować”, mówi astrofizyk Cole Miller z University of Maryland w College Park, który nie był zaangażowany w badania. Od wykrycia pierwszych fal grawitacyjnych w 2015 roku obserwatoria wciąż odkrywają nowe tajemnice. „To fantastyczne nowe rzeczy”, mówi.
Oznaki zderzeń czarnej dziury z gwiazdami neutronowymi zarejestrowane zostały w obserwatoriach fal grawitacyjnych LIGO i Virgo w 2020 r., 5 i 15 stycznia. Pierwsza fuzja składała się z czarnej dziury o masie około 8,9 masy Słońca i gwiazdy neutronowej o masie około 1,9 masy Słońca. Drugie połączenie miało czarną dziurę o masie 5,7 Słońca i gwiazdę neutronową o masie 1,5 Słońca. Naukowcy szacują, że obie kolizje miały miejsce ponad 900 milionów lat świetlnych od Ziemi.
Aby utworzyć wykrywalne fale grawitacyjne, obiekty, które łączą się, muszą być niezwykle gęste, z tożsamościami, które można określić za pomocą ich masy. Wszystko o masie powyżej pięciu mas Słońca może być tylko czarną dziurą, uważają naukowcy. Wszystko o masie mniejszej niż trzy masy Słońca musi być gwiazdą neutronową.
Jedna z wcześniejszych detekcji fal grawitacyjnych obejmowała połączenie czarnej dziury z obiektem, którego nie można było zidentyfikować, ponieważ jego masa wydawała się mieścić pomiędzy wartościami odcięcia, które oddzielają czarne dziury od gwiazd neutronowych. Kolejna poprzednia fuzja mogła wynikać z połączenia czarnej dziury z gwiazdą neutronową, ale sygnał z tego zdarzenia nie był wystarczająco silny, aby naukowcy byli pewni, że wykrycie było prawdziwą sprawą. Dwie nowe detekcje stanowią klucz do spotkań z czarną dziurą i gwiazdami neutronowymi.
Jedno z nowych wydarzeń jest bardziej przekonujące niż drugie. Fuzja 5 stycznia została zaobserwowana tylko w jednym z dwóch detektorów fal grawitacyjnych LIGO, a sygnał ma stosunkowo duże prawdopodobieństwo, że będzie fałszywym alarmem, mówi Miller. Jednak wydarzenie z 15 stycznia „wydaje się dość solidne”, mówi.
Odkrycia sugerują, że epickie spotkania między gwiazdami neutronowymi i czarnymi dziurami odbywają się regularnie w całym kosmosie. Na podstawie tempa wykrywania naukowcy szacują, że zdarzenia te mają miejsce mniej więcej raz w miesiącu w promieniu 1 miliarda lat świetlnych od Ziemi.
Naukowcy nie wiedzą jeszcze, jak spotykają się gwiazdy neutronowe i czarne dziury. Mogą tworzyć się razem, jak dwie gwiazdy krążące wokół siebie, dopóki obie nie wyczerpią się i umrą, przy czym jedna zapadnie się w czarną dziurę, a druga utworzy gwiazdę neutronową. Albo te dwa obiekty mogły uformować się oddzielnie i spotkać w zatłoczonym obszarze wypełnionym wieloma gwiazdami neutronowymi i czarnymi dziurami.
Ponieważ czarna dziura i gwiazda neutronowa kręcą się spiralnie do wewnątrz i łączą się, naukowcy spodziewają się, że czarna dziura może rozerwać gwiazdę neutronową na strzępy, tworząc pokaz świetlny, który można by obserwować za pomocą teleskopów. Ale astronomowie nie znaleźli fajerwerków w następstwie dwóch nowo zgłoszonych spotkań, ani żadnych dowodów na to, że czarne dziury deformowały gwiazdy neutronowe.
Może tak być, ponieważ w obu przypadkach czarna dziura była znacznie większa niż gwiazda neutronowa, co sugeruje, że czarna dziura połknęła całą gwiazdę neutronową w posiłku godnym Pac-Mana, mówi Scott.
Gdyby naukowcy mogli w przyszłości dostrzec czarną dziurę rozdrabniającą gwiazdę neutronową, pomogłoby to naukowcom określić właściwości ultragęstej, bogatej w neutrony materii, z której składają się martwe gwiazdy.
Przy wcześniejszych wykryciach fal grawitacyjnych LIGO z siedzibą w Stanach Zjednoczonych połączyło siły z Virgo we Włoszech. Nowe obserwacje jako pierwsze obejmują członków trzeciego obserwatorium KAGRA w Japonii. Ale sam detektor KAGRA nie przyczynił się do wyników, ponieważ naukowcy wciąż przygotowywali go do wykrywania fal grawitacyjnych. LIGO, Virgo i KAGRA są obecnie offline, podczas gdy naukowcy majstrują przy detektorach i wznowią wspólne poszukiwania kosmicznych kolizji w 2022 roku.
