Naukowcy – świadkami połączenia czarnej dziury z gwiazdą neutronową

Czarne dziury i gwiazdy neutronowe to bardzo osobliwe obiekty. Ich występowanie w parach to niezwykła rzadkość. Pierwszą parę gwiazd neutronowych zaobserwowano Drodze Mlecznej w 1974 roku dzięki radioteleskopom (obserwując tzw. pulsary, czyli obracające się gwiazdy neutronowe, emitujące wiązkę promieniowania radiowego). Istnienie par czarnych o masach gwiazdowych też jest potwierdzone (potwierdzenie uzyskano kilka lat temu dzięki obserwacjom na falach grawitacyjnych). Problemem nadal były jednak mieszane układy podwójne złożone z obu tych ciał – taki system nie był do tej pory zaobserwowany w sposób nie budzący wątpliwości.

„Do tej pory można było zaobserwować fale grawitacyjne, które pochodziły wyłącznie z połączenia dwóch czarnych dziur albo dwóch gwiazd neutronowych. Układ mieszany został zarejestrowany po raz pierwszy, choć już od dwudziestu lat razem z prof. Krzysztofem Belczyńskim przewidywaliśmy taki scenariusz” wskazuje prof. Tomasz Bulik z Obserwatorium Astronomicznego UW, cytowany w informacji przesłanej PAP.

5 stycznia 2020 roku jeden z detektorów Advanced Ligo, znajdujący się w Luizjanie w USA, oraz detektor Advanced Virgo we Włoszech, zarejestrowały fale grawitacyjne, które pochodziły z nieznanego dotąd obiektu. Sygnał został wyemitowany przez układ, w którym wirujące wokół siebie gwiazda neutronowa i czarna dziura połączyły się w jeden zwarty obiekt. Naukowcy byli świadkami kilku ostatnich orbit przed połączeniem. Już dziesięć dni później wykryto sygnał od podobnego układu podwójnego. Poszczególne układy nazwano GW200105 i GW200115.

Analizy wykonane przez naukowców wskazują na to, że w GW200105 czarna dziura miała masę 8,9 masy Słońca, a gwiazda neutronowa 1,9 masy Słońca. Połączyły się około 900 milionów lat temu, a sygnał z tego zdarzenia dotarł teraz do nas. Z kolei w przypadku GW200115 masy wynoszą odpowiednio 5,7 oraz 1,5 razy więcej niż masa Słońca. Tutaj obiekty połączyły się blisko miliard lat temu.

W obu przypadkach masywniejsze obiekty pasują do przedziału przewidywanego w teorii ewolucji gwiazd dla czarnych dziur, a te o mniejszych masach pasują do przewidywań dla gwiazd neutronowych.

Połączenie czarnej dziury z gwiazdą neutronową, poza sygnałem fal grawitacyjnych, może skutkować także emisją promieniowania elektromagnetycznego. Nie udało się zaobserwować tego drugiego z powodu dużej odległości do źródeł i małej dokładności wyznaczenia pozycji na niebie. Ale naukowcy mają nadzieję, że w przyszłości uda się takie promieniowanie zarejestrować, w przypadku innych podobnych zdarzeń.

Opisane zdarzenia GW200105 i GW200115 to pierwsze pewne detekcje połączenia się par czarna dziura – gwiazda neutronowa. Wcześniej wykryto zdarzenia GW190814 i GW190426, które również mogą świadczyć o podobnych kolizjach, ale nie ma co do nich pewności i naukowcy określają je jedynie mianem kandydatek na pary obiektów tego typu.

Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie „The Astrophysical Journal Letters”. W składzie międzynarodowego zespołu badawczego byli astronomowie z Uniwersytetu Warszawskiego: prof. Dorota Rosińska, prof. Tomasz Bulik, dr Przemysław Figura, dr Bartosz Idzikowski oraz doktoranci Małgorzata Curyło, Neha Singh, Paweł Szewczyk.