Miliardy lat temu dwie czarne dziury znacznie masywniejsze niż Słońce - każda o masie 31 i 19 mas Słońca - połączyły się w odległej galaktyce. 4 stycznia 2017 roku te fale grawitacyjne, podróżujące przez Wszechświat z prędkością światła, w końcu dotarły na Ziemię, gdzie ścisnęły i rozciągnęły naszą planetę na kilka atomów. To wystarczyło, aby dwa detektory LIGO w Waszyngtonie i Luizjanie odebrały sygnał i dokładnie odtworzyły to, co się stało. Po raz trzeci w historii bezpośrednio obserwowaliśmy fale grawitacyjne. W międzyczasie teleskopy i obserwatoria na całym świecie, w tym te na orbicie Ziemi, szukały zupełnie innego sygnału: czegoś w rodzaju światła lub promieniowania elektromagnetycznego, które te łączące się czarne dziury mogłyby emitować.
Ilustracja przedstawiająca dwie łączące się czarne dziury o masie porównywalnej do tych widzianych w LIGO. Oczekuje się, że taka fuzja powinna wytworzyć bardzo mało sygnałów elektromagnetycznych, ale obecność silnie rozgrzanej substancji w pobliżu takich obiektów może to zmienić.
Według naszych najlepszych modeli fizycznych, łączące się czarne dziury nie powinny w ogóle emitować światła. Masywna osobliwość otoczona horyzontem zdarzeń może emitować fale grawitacyjne ze względu na zmieniającą się krzywiznę czasoprzestrzeni, ponieważ obraca się wokół innej gigantycznej masy, co sugeruje ogólna teoria względności. Ponieważ energia grawitacyjna w postaci promieniowania musi skądś pochodzić, ostatnia czarna dziura po połączeniu będzie o kilka mas Słońca lżejsza niż suma źródeł, które ją wygenerowały. Jest to całkowicie zgodne z dwoma innymi połączeniami, które zaobserwował LIGO: około 5% pierwotnych mas zostało przekształconych w czystą energię w postaci promieniowania grawitacyjnego.
Masy znanych systemów podwójnych czarnych dziur, w tym trzy potwierdzone fuzje LIGO i jeden kandydat do fuzji
Ale jeśli coś jest poza tymi czarnymi dziurami, takie jak dysk akrecyjny, zapora ogniowa, twarda skorupa, rozproszona chmura lub cokolwiek innego, przyspieszenie i ogrzewanie tego materiału może wytworzyć promieniowanie elektromagnetyczne, które przemieszcza się wraz z naszymi falami grawitacyjnymi. Po pierwszym wykryciu LIGO, Fermi Gamma-ray Burst Monitor stwierdził, że wykrył wyrzut wysokiej energii zbiegający się z czasem sygnału fali grawitacyjnej. Niestety, satelita ESA nie tylko nie potwierdził wyników Fermiego, ale pracujący tam naukowcy odkryli błąd w analizie ich danych Fermiego, całkowicie dyskredytując ich wyniki.
Połączenie dwóch czarnych dziur oczami artysty z dyskiem akrecyjnym. Gęstość i energia materii nie powinny tu wystarczyć do wytworzenia promieni gamma lub błysków rentgenowskich, ale kto wie, do czego zdolna jest natura.
Drugie połączenie nie wykazało takich wskazówek dotyczących sygnałów elektromagnetycznych, ale nie jest to zaskakujące: czarne dziury miały znacznie mniejszą masę, więc każdy wygenerowany przez nie sygnał miałby odpowiednio mniejszą wielkość. Ale trzecia fuzja była również duża pod względem masy, bardziej porównywalna z pierwszą niż drugą. Chociaż Fermi nic nie powiedział, a satelita Integral ESA również milczał, istniały dwie wskazówki, że mogło wystąpić promieniowanie elektromagnetyczne. Satelita AGILE Włoskiej Agencji Kosmicznej zarejestrował słaby, krótkotrwały rozbłysk, który miał miejsce pół sekundy przed fuzją w LIGO, a połączone obserwacje rentgenowskie, radiowe i optyczne zostały dziwnie zidentyfikowane.
Gdyby cokolwiek z tego można było przypisać łączeniu się czarnych dziur, byłoby to całkowicie niewiarygodne. Ogólnie wiemy tak mało o czarnych dziurach, co możemy powiedzieć o łączeniu się. Nigdy nie widzieliśmy ich na własne oczy, chociaż Event Horizon Telescope zrobi zdjęcie jeszcze przed końcem tego roku. Dopiero w tym roku dowiedzieliśmy się, że czarne dziury nie mają twardych skorup otaczających horyzont zdarzeń, ale fakt ten był również statystyczny. Więc jeśli chodzi o możliwość, że czarne dziury mogą mieć wycieki elektromagnetyczne, warto zachować otwarty umysł.
Film promocyjny:
Odległe, masywne kwazary wykazują w swoich rdzeniach supermasywne czarne dziury, a ich wycieki elektromagnetyczne są łatwe do wykrycia. Ale nie widzieliśmy jeszcze łączących się czarnych dziur (szczególnie tych o niewielkich masach, poniżej 100 słońc) emitujących cokolwiek, co można wykryć.
Niestety, żadna z tych obserwacji nie dostarcza danych niezbędnych do wyciągnięcia wniosku, że łączące się czarne dziury mogą emitować cokolwiek w widmie elektromagnetycznym. Ogólnie rzecz biorąc, uzyskanie przekonujących dowodów jest dość trudne, ponieważ nawet bliźniacze detektory LIGO, działając z niesamowitą dokładnością, nie są w stanie wskazać położenia sygnału fali grawitacyjnej z większą dokładnością niż do jednej lub trzech konstelacji. Ponieważ fale grawitacyjne i fale elektromagnetyczne poruszają się z prędkością światła, jest bardzo mało prawdopodobne, aby między nimi wystąpiło prawie 24-godzinne opóźnienie. Ponadto zdarzenie przejściowe zachodzi w odległości, która nie pozwala na skojarzenie go z falą grawitacyjną.
Obszar obserwacji obserwatorium AGILE w czasie obserwacji LIGO wraz z możliwą lokalizacją źródła fal grawitacyjnych przedstawioną na fioletowych obrysach
Obserwacje AGILE mogą potencjalnie wskazywać, że dzieje się coś interesującego. W momencie wykrycia zdarzenia fali grawitacyjnej, AGILE skierowano na obszar przestrzeni obejmujący 36% badanego obszaru LIGO. Zdaniem naukowców „nadmiar wykrytych fotonów promieniowania rentgenowskiego” pojawił się gdzieś powyżej zwykłego średniego tła. Jednak patrząc na dane, pierwsze pytanie, jakie zadają naukowcy, brzmi: Jak bardzo są przekonujące?
Kilka sekund przed fuzją LIGO wyciągnęli interesujące wydarzenie, oznaczone jako E2 na trzech wykresach powyżej. Po dokładnej analizie, w której skorelowali to, co widzą i jakiego rodzaju przypadkowe fluktuacje mogą wystąpić naturalnie, doszli do wniosku, że coś interesującego wydarzyło się z 99,9% prawdopodobieństwem. Innymi słowy, widzieli prawdziwy sygnał, a nie przypadkową fluktuację. We Wszechświecie jest wiele obiektów, które emitują promienie gamma i X, które tworzą tło. Ale czy incydent można powiązać z grawitacyjnym połączeniem dwóch czarnych dziur?
Symulacja komputerowa dwóch łączących się czarnych dziur z wytworzeniem fal grawitacyjnych. Pytanie brzmi, czy ten sygnał towarzyszy rodzajowi wyładowania elektromagnetycznego?
Jeśli tak, dlaczego inne satelity tego nie widziały? W tej chwili możemy stwierdzić, że jeśli czarne dziury miały część elektromagnetyczną, to:
- ekstremalnie słaby
- rodzi się tylko przy niskich energiach
- nie ma jasnego elementu optycznego, radiowego lub promieniowania gamma
- nie występuje jednocześnie z uwolnieniem fal grawitacyjnych.
Podwójne czarne dziury o masach 30 mas Słońca, po raz pierwszy zarejestrowane przez LIGO, są trudne do uformowania bez bezpośredniego załamania. Teraz, gdy zaobserwowano je już dwukrotnie, stało się jasne, że takie pary czarnych dziur są dość powszechne. Czy mają promieniowanie elektromagnetyczne?
Ponadto wszystko, co widzimy, idealnie pasuje do faktu, że łączące się czarne dziury nie mają części elektromagnetycznej. Ale czy może tak być, ponieważ nie mamy wystarczających danych? Jeśli zbudujemy więcej detektorów fal grawitacyjnych, zobaczymy więcej połączeń czarnych dziur o dużej masie, lepiej je zlokalizujemy, zobaczymy więcej zdarzeń przejściowych - możemy znaleźć odpowiedź na to pytanie. Jeśli misje i obserwatoria, które powinny gromadzić takie dane, zostaną zbudowane, uruchomione i w razie potrzeby umieszczone na orbicie, to za 15 lat otrzymamy naukowe potwierdzenie.
ILYA KHEL