Vznik zatím nejtěžší černé díry pozorovaný pomocí gravitačních vln  
Detektory gravitačních vln LIGO a VIRGO mají od března přestávku, ale analýza nasbíraného materiálu produkuje stále nové výsledky. Jedna z nových publikací popisuje detekci splynutí černých děr, které leží v intervalu hmotností 65 až 135 hmotností Slunce. Poprvé tak pozorujeme splynutí objektů, které nevzniklý jako konečná stádia hvězd, ale splynutím černých děr s menší hmotností. Případy postupného splývání stále hmotnějších černých děr by mohly vysvětlit vznik středně hmotných černých děr s hmotností stovek až tisíců hmotností Slunce i supermasivních černých děr v jádrech galaxií.

Od března 2020 mají detekční systémy LIGO a VIRGO přestávku, která byla způsobena i epidemií COVID-19. Během ní se pracuje na vylepšení zařízení i metodiky jejich pozorování. Intenzivně se však pracuje také na analýze dat, která se získala v předchozím období jejich činnosti. Připomeňme, že zatím proběhly tři periody měření.

První se realizovala v období od 12. září 2015 do 19. ledna 2016 a podařilo se v ní zachytit tři případy splynutí černých děr. První zachycení gravitačních vln z takového jevu nastalo již 14. září 2015. Publikováno bylo v únoru 2016. Další případy pak následovaly.

Druhé období experimentování proběhlo mezi 30. listopadem 2016 a 25. srpnem 2017 Během něj se podařilo zachytit a identifikovat gravitační vlny ze sedmi případů splynutí černých děr a první případ splynutí neutronových hvězd. Ten byl velice blízký a byl zachycen i jako krátký záblesk gama, i v dalších oblastech elektromagnetického spektra. To umožnilo potvrdit předpokládanou souvislost mezi krátkými záblesky gama a splynutími neutronových hvězd i srovnat rychlost gravitačních vln s rychlostí světla.

Přehled hmotností dosud pozorovaných černých děr zaznamenaných pomocí detekce gravitačních vln (modré značky), pomocí pozorování dvojhvězdných systémů s využitím elektromagnetického záření (fialové). Přehled hmotností neutronových hvězd pozorovaných pomocí detekce gravitačních vln (oranžové) a s využitím elektromagnetického záření (žluté). (Zdroj LIGO-Virgo/Northwestern U./Frank Elavsky & Aaron Geller).
Přehled hmotností dosud pozorovaných černých děr zaznamenaných pomocí detekce gravitačních vln (modré značky), pomocí pozorování dvojhvězdných systémů s využitím elektromagnetického záření (fialové). Přehled hmotností neutronových hvězd pozorovaných pomocí detekce gravitačních vln (oranžové) a s využitím elektromagnetického záření (žluté). (Zdroj LIGO-Virgo/Northwestern U./Frank Elavsky & Aaron Geller).

První dvě období experimentování tak umožnila získat první statistiku případů. Zjistilo se, že černé díry pozorované pomocí gravitačních vln mají mnohem větší hmotnost, než mají ty, které pozorujeme v binárních systémech v naši blízkosti. To je ale vysvětlitelné výběrovým efektem. Binární systémy jsou pozorovatelné a identifikovatelné našimi přístroji jen do určité omezené vzdálenosti. Protože je velmi hmotných černých děr o mnoho řádů méně než těch s nízkou hmotností, je pravděpodobnost, že by byly v blízkém okolí, velmi malá. Výskyt binárních černých děr a jejich splynutí je velice málo pravděpodobný jev a musíme pozorovat hodně velký objem prostoru, abychom je mohli zaznamenat. A ve velké vzdálenosti uvidíme jen splynutí černých děr s velkými hmotnostmi, které vyprodukují dostatečně intenzivní impuls gravitačních vln.

 

Třetí období detekce pak proběhlo od 1. dubna 2019 do 27. března 2020. Zatím se analýzou získaných dat podařilo identifikovat dvě splynutí černých děr, další splynutí dvou neutronových hvězd a případ splynutí černé díry s kompaktním objektem s relativně malou hmotností. A právě při jednom ze zachycení gravitačních vln, které proběhla 21. května 2019, došlo k pozorování gravitačních vln se splynutí zatím nejtěžších pozorovaných černých děr. Výsledky analýzy tohoto případu byly publikovány právě v těchto dnech. Je třeba ještě poznamenat, že ve všech třech popsaných obdobích pozorování byla kromě popsaných spolehlivě prokázaných případů zaznamenána i řada kandidátů a signálů, které byly blízko úrovně šumu.

 

Různé typy černých děr

Zatím se nám přímo podařilo pozorovat pouze dva typy černých děr. Prvním jsou hvězdné černé díry, které jsou konečnými stádii velmi hmotných hvězd. Jejich hmotnost je omezena na desítky hmotnosti Slunce. V principu mohou existovat hvězdy s hmotností svého jádra vyšší, ovšem před svým koncem se stávají velmi nestabilní a jejich jádro nekončí v černé díře. Existuje tak limita na možnou konečnou hmotnost hvězdného jádra, která omezuje i hmotnost hvězdné černé díry. Ta vede podle současných modelů k omezení hodnoty pro hvězdné černé díry okolo 65 hmotností Slunce.

Splynutí zatím nejtěžších černých děr způsobilo signál gravitačních vln GW190521 (zdroj LIGO/Caltech/MIT/R. Hurt (IPAC))
Splynutí zatím nejtěžších černých děr způsobilo signál gravitačních vln GW190521 (zdroj LIGO/Caltech/MIT/R. Hurt (IPAC))

Nepřímo jsou černé díry hvězdného typu pozorovány ve dvojhvězdách prostřednictvím rentgenovského záření a odhadu hmotnosti kompaktního objektu, který přesahuje limitu na hmotnost neutronové hvězdy. Přímo jsou pak pozorovány právě pomocí detekce gravitačních vln vyzářených při jejich splynutí.

 

Druhým známým typem jsou supermasivní černé díry v jádrech galaxií. Jejich hmotnosti jsou mezi statisíci až desítkami milionů hmotností Slunce. Nepřímo je lze pozorovat pomocí jejich gravitačního vlivu na blízké hvězdy nebo pomocí vysokoenergetických procesů, které způsobují v aktivních jádrech galaxií a kvasarů. Přímo pak byla tato supermasivní černá díra pozorována radioteleskopem v galaxii M87.

Předpovídá se však i existence středně hmotných černých děr, jejichž hmotnosti by byly mezi horní limitou pro hvězdné černé díry až tisíci hmotností Slunce. Jejich existence zatím prokázána nebyla. Existují sice náznaky, že by se mohly vyskytovat ve středu některých kulových hvězdokup, ale zatím nepříliš průkazné. A právě zmíněný případ zachycení gravitačních vln GW190521, který se uskutečnil 21. května 2019 by mohl být prvním případem pozorování takových černých děr. Ještě je třeba poznamenat, že by mohly existovat extrémně hmotné hvězdy, jejichž jádro má hmotnost přesahující 135 hmotností Slunce. Ty se vyhnou popisované nestabilitě a jejich jádro pak zkolabuje přímo do středně hmotné černé díry.

 

Detekce gravitačních vln GW190521

Stejně jako u ostatních pozorování splynutí černých děr trval záblesk gravitačních vln velmi krátce. Oproti těm předchozím však byl ještě mnohem kratší, trval méně než desetinu sekundy. I to indikovalo, že jde o splynutí černých děr s velmi vysokou hmotností. Analýzou signálů se ukázalo, že šlo o černé díry s hmotností 85 a 66 hmotností Slunce, které splynutím vytvořily černou díru o hmotnosti142 hmotností Slunce. Okolo 9 hmotností Slunce se vyzářilo právě v podobě gravitačních vln. Pochopitelně, že jsou tyto hodnoty hmotností zjištěny s jistou nejistotou. První hmotnost však určitě překračují hodnotu možnou pro hvězdnou černou díru a je nižší, než by vznikla přímým kolapsem do středně hmotné černé díry. Tato složka tak musela vzniknout předchozím splynutím méně hmotných černých děr. K události došlo ve vzdálenosti přesahující 10 miliard světelných let, tedy blízko samého okraje pozorovaného vesmíru

Toto pozorování se může stát zlomovým. Zatím nevíme, jak vznikají supermasivní černé díry v jádrech galaxií. Může jít o proces, při kterém postupně splývají hvězdné černé díry a posléze i středně hmotné černé díry. Takový jev může nastávat jen v prostředí, kde je vysoká hustota černých děr. Je tak pravděpodobné, že i námi pozorovaný případ proběhl v nitru nějaké kulové hvězdokupy, kde je vysoká hustota hvězd a následně černých děr. Zároveň pak musí existovat různá stádia jejich vytváření, tedy černé díry s hmotností mezi hmotností hvězdných černých děr a supermasivních černých děr. Jinou možností je zatím neznámý proces, který vede k okamžitému vzniku zárodku supermasivní černé díry.

Pozorování záblesku gravitačních vln GW190521 se povedlo všemi detektory (zdroj Phys. Rev. Letters 125, 101102 (2020))
Pozorování záblesku gravitačních vln GW190521 se povedlo všemi detektory (zdroj Phys. Rev. Letters 125, 101102 (2020))

První pozorování splynutí černých děr, které mají větší hmotnost než hvězdné černé díry, je velmi důležitým krokem k vyřešení otázky vzniku supermasivních černých děr. Je velká naděje, že budoucí pozorování pomohou vyřešit záhadu vzniku středně hmotných i supermasivních černých děr. Podrobný rozbor tohoto pozorování byl publikován ve dvou článcích (zde a zde).

 

Hon na další takové události

Pravděpodobnost takové události, jako je splynutí černých děr s velkou hmotností je velmi malá. Proto je třeba je pozorovat do co největší vzdálenosti. Potřebujeme tak co nejvyšší citlivost detekce. Právě zlepšení citlivosti je cílem vylepšování, které probíhá během přerušení pozorování způsobené koronavirovou pandemií. Vylepšovat se budou i analyzační metody pro detekci a identifikaci co nejkratších signálů. Ty by měly přicházet právě od těch velmi masivních černých děr. Je tak vysoká šance, že se po obnovení pozorování dočkáme brzy dalších velmi zajímavých případů pozorování velmi masivních černých děr.

 

Závěr

Na závěr je třeba ještě zmínit, že interpretace detekce gravitačních vln GW190521 pomocí splynutí velmi hmotných černých děr je tou nejpravděpodobnější. Ovšem vysvětlit ji mohou i jiné mnohem exotičtější hypotézy, ve kterých mohou vystupovat i tak exotické objekty, jako jsou kosmické primordiální struny, které jsou pozůstatkem inflačního období našeho vesmíru.

Interpretace není úplně jistá ani u zatím posledního identifikovaného případu GW190814. V tomto případě šlo o splynutí černé díry s hmotností 23,2 hmotností Slunce a kompaktního objektu s hmotností pouhých 2,6 hmotností Slunce. Druhý objekt tak má hmotnost, která je v intervalu přechodu mezi jasnými hmotnostmi neutronové hvězdy a černé díry. Jde tedy o velmi zajímavou kombinaci, která je dalším příkladem nového typu případů. Podrobnější rozbor tohoto případu byl publikován zde.

Lze očekávat, že vylepšená zařízení LIGO a VIRGO v dalším období experimentování přidají další zajímavé případy a posunou naše znalosti vývoje vesmíru. Ty by mohly pomoci vyřešit řadu otevřených otázek spojených se současným kosmologickým modelem, viz přednáška:

 

Datum: 03.09.2020
Tisk článku


Diskuze:



Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace