Naukowcy z Obserwatorium Astronomicznego UW uczestniczyli w odkryciu dwóch nowych obiektów astronomicznych złożonych z gwiazdy neutronowej i czarnej dziury. Od dziesięcioleci przewidywano istnienie tych układów, dopiero kilkanaście miesięcy temu udało się zaobserwować je po raz pierwszy. Wyniki odkrycia zostały właśnie opublikowane w czasopiśmie „The Astrophysical Journal Letters”.

Gwiazdy neutronowe są najgęstszymi stabilnymi obiektami we Wszechświecie, pozostałościami po gwiazdach. Są mniej więcej tak masywne jak Słońce, ale mają tylko kilkadziesiąt kilometrów średnicy. Czarne dziury natomiast to obszary czasoprzestrzeni z grawitacją tak silną, że uniemożliwiają ucieczkę nawet światłu. Występują w różnych rozmiarach, a ich masy mogą wahać się od kilku do ok. 65 mas Słońca.

Oczekiwane sygnały

5 stycznia 2020 roku jeden z detektorów Advanced Ligo, położony w Luizjanie w USA, oraz detektor Advanced Virgo, znajdujący się we Włoszech, odnotowały 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. Zaledwie dziesięć dni później detektory po raz drugi wychwyciły sygnał fal grawitacyjnych z kolejnego podwójnego układu astronomicznego. Odkryte układy nazwano GW200105 i GW200115.

– Od momentu pierwszej spektakularnej detekcji fal grawitacyjnych z połączenia dwóch czarnych dziur GW150914, za którą została przyznana nagroda Nobla w 2017 roku, zarejestrowaliśmy sygnały z pięćdziesięciu układów podwójnych obiektów zwartych, ale były to wyłącznie pary łączących się czarnych dziur lub gwiazd neutronowych – wyjaśnia prof. Dorota Rosińska z Obserwatorium Astronomicznego UW.

– 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 – dodaje prof. Tomasz Bulik z OA UW.

Starsze od dinozaurów

Odkrycia, w których uczestniczyli astronomowie z UW oraz przyszłe obserwacje dają nowy pogląd na narodziny, życie i śmierć gwiazd, jak również na otoczenie, w którym powstały. Sygnały fal grawitacyjnych, zarejestrowane w styczniu 2020 roku, zawierają cenne informacje o cechach fizycznych niedawno zaobserwowanych układów, takich jak ich odległości i masy składników, a także o mechanizmach fizycznych, które doprowadziły do ich połączenia.

– Spodziewaliśmy się, że podczas koalescencji gwiazdy neutronowej z czarną dziurą, gwiazda zostanie rozerwana  przez siły pływowe, gdy znajdzie się dostatecznie blisko czarnej  dziury, jednak duża różnica mas obiektów spowodowała, że prawdopodobnie gwiazda neutronowa została połknięta w całości przez czarną dziurę – wyjaśnia prof. Dorota Rosińska.

Z dotychczasowych analiz wynika, że czarna dziura i gwiazda neutronowa, tworzące GW200105, są odpowiednio około 8,9 i 1,9 razy masywniejsze od Słońca, a ich połączenie miało miejsce ok. 900 milionów lat temu, czyli setki milionów lat przed pojawieniem się pierwszych dinozaurów na Ziemi. W przypadku zderzenia GW200115 naukowcy z konsorcjów Virgo i Ligo szacują, że masa czarnej dziury może wynosić ok. 5,7, a gwiazdy neutronowej 1,5 mas Słońca. Prawdopodobnie połączyły się niemal miliard lat temu.

Nieziemskie warunki

Sygnały wychwycone przez detektory Virgo i Ligo pozwalają po raz pierwszy na dokładną obserwację jednych z najbardziej gwałtownych i rzadkich zjawisk we Wszechświecie oraz na sporządzenie obrazu zatłoczonych i chaotycznych miejsc, w których występują te zdarzenia. Szczegółowe informacje gromadzone przez astronomów na temat procesu łączenia się czarnych dziur i gwiazd neutronowych umożliwią przetestowanie fundamentalnych praw fizyki w warunkach, których nigdy nie będzie można odtworzyć na Ziemi.

– Łączące się gwiazdy neutronowe z czarnymi dziurami mogą być również źródłem promieniowania elektromagnetycznego, w tym niezwykle energetycznych, krótszych niż dwie sekundy rozbłysków promieniowania gamma. Niestety, duża odległość do źródeł, jak i mała dokładność w wyznaczeniu ich  położenia na niebie spowodowały, że nie zaobserwowano sygnału świetlnego związanego z tymi zdarzeniami – mówi prof. Dorota Rosińska.

Dodaje też, że przyszłym obserwacjom łączenia się gwiazdy neutronowej z czarną dziurą może towarzyszyć wykrycie wytworzonego w tym procesie promieniowania elektromagnetycznego, co da naukowcom wgląd w proces rozrywania pływowego gwiazdy neutronowej przez czarną dziurę. Może to dostarczyć informacji o ekstremalnie gęstej materii, z której składają się gwiazdy neutronowe.