Astronomowie odkryli zupełnie nowy rodzaj kosmicznej katastrofy

W maju 2023 roku detektor LIGO Livingston zarejestrował sygnał grawitacyjny, który dosłownie wstrząsnął społecznością naukową. To, co początkowo wydawało się rutynowym odkryciem, szybko przerodziło się w przełomowe wydarzenie w historii astrofizyki. Naukowcy zaobserwowali pierwsze w historii zderzenie gwiazdy neutronowej z tajemniczym obiektem znajdującym się w tzw. "luce masowej" - zagadkowym obszarze między najcięższymi gwiazdami neutronowymi a najlżejszymi czarnymi dziurami.

Sygnał, oznaczony jako GW230529, dotarł do Ziemi po trwającej 650 milionów lat podróży przez wszechświat. W przeciwieństwie do dotychczas rejestrowanych sygnałów z łączenia się czarnych dziur, które trwają zaledwie ułamki sekund, ten sygnał utrzymywał się przez znacznie dłuższy czas, dając naukowcom bezprecedensową możliwość obserwacji tego rzadkiego zjawiska.

"To odkrycie zmienia nasze rozumienie ewolucji układów podwójnych i możliwych zjawisk elektromagnetycznych towarzyszących zderzeniom zwartych obiektów" - podkreślają badacze z kolaboracji LIGO-Virgo-KAGRA, międzynarodowego zespołu odpowiedzialnego za wykrycie sygnału.

Co czyni to odkrycie tak wyjątkowym? Właśnie masa cięższego obiektu biorącego udział w kolizji. Analiza sygnału wykazała, że lżejszy obiekt miał masę między 1,2 a 2,0 masy Słońca - co odpowiada typowej gwieździe neutronowej. Drugi uczestnik kosmicznego zderzenia miał masę między 2,5 a 4,5 masy Słońca, umieszczając go dokładnie w tajemniczej "luce masowej".

Przed erą bezpośredniego wykrywania fal grawitacyjnych, która rozpoczęła się w 2015 roku, astronomowie obserwowali masy gwiazd neutronowych i czarnych dziur głównie za pomocą obserwacji radiowych i rentgenowskich. Te pomiary wykazały, że istnieje wyraźna granica między najcięższymi gwiazdami neutronowymi (około 2-3 masy Słońca) a najlżejszymi czarnymi dziurami (około 5-6 mas Słońca). Przez dziesięciolecia astronomowie zastanawiali się, dlaczego nie obserwujemy obiektów w tym zakresie mas.

Istniały dwie główne teorie wyjaśniające ten fenomen. Pierwsza zakładała, że eksplozje supernowych, które tworzą te obiekty, zachodzą w taki sposób, że po prostu unikają tworzenia ciał niebieskich o pośrednich masach. Druga teoria sugerowała, że nasze metody obserwacyjne nie pozwalały na wykrycie takich obiektów. Odkrycie GW230529 wspiera tę drugą hipotezę, pokazując, że luka masowa może być "mniej pusta niż wcześniej sądzono".

Co szczególnie intrygujące, ze względu na stosunkowo bliskie masy obu obiektów, naukowcy spekulują, że gwiazda neutronowa mogła zostać rozerwana przez czarną dziurę, zanim została całkowicie pochłonięta. Taki scenariusz mógłby wyzwolić emisję światła i przyczynić się do formowania ciężkich pierwiastków takich jak złoto czy uran we wszechświecie.

"To fascynujące odkrycie sugeruje, że zderzenia lekkich czarnych dziur i gwiazd neutronowych mogą być częstsze niż wcześniej sądziliśmy" - mówią naukowcy. "Z detektorami fal grawitacyjnych ledwie zaczynamy odkrywać, co naprawdę istnieje w kosmosie, wypełniając prawdziwą populację tych gwiezdnych pozostałości."

Czwarta runda obserwacyjna detektorów LIGO-Virgo-KAGRA, która rozpoczęła się w maju 2023 roku, ma potrwać do lutego 2025 roku. Dotychczas zidentyfikowano 81 znaczących kandydatów na sygnały, a GW230529 jest pierwszym z nich, który został szczegółowo przeanalizowany i opublikowany. Naukowcy przewidują, że do końca rundy obserwacyjnej wykryją ponad 200 sygnałów fal grawitacyjnych, co może doprowadzić do kolejnych przełomowych odkryć.

Obserwacje te otwierają nowy rozdział w naszym zrozumieniu życia i śmierci masywnych gwiazd, zmuszając naukowców do przepisania podręczników astrofizyki i zrewidowania naszej wiedzy o kosmicznych kataklizmach. Wszechświat po raz kolejny udowodnił, że jest znacznie bogatszy i bardziej zaskakujący, niż mogliśmy sobie wyobrazić.

Źródła:

https://www.ligo.caltech.edu/news/ligo20240405

https://news.northwestern.edu/stories/2024/04/first-gravitational-wave-detection-of-mass-gap-object-merging-with-neutron-star/

https://news.ubc.ca/2024/04/new-gravitational-wave-signal-neutron-stars-and-black-holes/

https://news.fullerton.edu/2024/04/csuf-scientists-contribute-to-mysterious-gravitational-wave-signal-from-neutron-star-black-hole-cosmic-collision/

https://www.aei.mpg.de/1141649/gw230529