Polscy naukowcy prognozują zderzenia nawet kilkuset czarnych dziur na rok

Zderzenia nawet kilkuset czarnych dziur rocznie, które będą źródłem fal grawitacyjnych, prognozuje zespół polskich i amerykańskich naukowców. Detekcje będzie w stanie zaobserwować obserwatorium LIGO, jeśli będzie wykorzystywało pełnię swoich możliwości.

Amerykańskie obserwatorium LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) to dwie instalacje, oddalone od siebie o ponad 3 tys. kilometrów. Jedna z nich znajduje się w stanie Waszyngton, a druga w stanie Luizjana. W lutym br. świat obiegła informacja, że detektory LIGO po raz pierwszy zaobserwowały fale grawitacyjne. To, co zaobserwowali wówczas naukowcy, to dowody na zderzenie czarnych dziur. Pochodząca z tej kosmicznej katastrofy fala grawitacyjna podróżowała z prędkością światła przez Wszechświat i dopiero w zeszłym roku dotarła do Ziemi. Wtedy falę grawitacyjną udało się zarejestrować. Kolejne detekcje kolejnych fal grawitacyjnych przez LIGO ogłoszono w połowie czerwca.

Detekcja fal grawitacyjnych - jako skutku zderzenia czarnych dziur - choć wzbudziła sensację w naukowym świecie, nie była zaskoczeniem dla polsko-amerykańskiego zespołu kierowanego przez prof. Krzysztofa Belczyńskiego z Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Warszawskiego. Już sześć lat temu przewidział on, że pierwszym źródłem fal będzie kolizja czarnych dziur. Bezbłędnie przewidział też, dwie kolejne detekcje fal grawitacyjnych, ogłoszone w połowie czerwca. Ich źródłem były również czarne dziury.

Teraz ten sam zespół prognozuje, że tego rodzaju kolizji czarnych dziur, będących źródłem fal grawitacyjnych będzie można zaobserwować znacznie więcej. - Podajemy, że źródłem kolejnych detekcji fal grawitacyjnych będą również czarne dziury. Będzie ich od kilkudziesięciu do kilkuset na rok, a dokładna liczba pozwoli lepiej zrozumieć mechanizmy ewolucji gwiazdowej - mówi PAP prof. Krzysztof Belczyński.

Zaznacza jednak, że taką liczbę kolizji czarnych dziur będzie można wykryć dopiero wówczas, kiedy obserwatorium LIGO będzie pracowało na sto procent swoich możliwości. - Szacuje się, że może to nastąpić w roku 2018 lub 2019. Na razie LIGO wykorzystuje ich tylko kilka procent - mówi astrofizyk. Niedługo LIGO rozpocznie drugą część obserwacji, która potrwa pół roku i obserwacjami sięgnie o 50 proc. dalej we Wszechświat, niż dotąd. - Przewidujemy, że w tym czasie uda się zaobserwować między 3 a 60 czarnych dziur - wyjaśnia prof. Belczyński.

W wyniku prowadzonych symulacji jego zespół doprecyzował też jedną z dróg formowania się czarnych dziur. - Czarne dziury mogą tworzyć się z "normalnych gwiazd" o bardzo dużych masach - od 40 do 100 mas Słońca - i bardzo niskiej metaliczności. Gwiazdy te mają od 10 do 100 razy mniej metali niż ma Słońce, co wskazuje, że większość z nich pochodzi z początków Wszechświata - tłumaczy badacz.

Dodatkowo, porównanie uzyskanych modeli tworzenia się czarnych dziur z obserwacjami LIGO pozwoliło zespołowi lepiej zrozumieć ewolucję gwiazdową. - W szczególności okazuje się, że czarne dziury tworzą się bez większych asymetrii w - kończącym życie gwiazdy - procesie zapaści oraz, że tylko gwiazdy przechodzące interakcję - wymianę masy, w późnych etapach ewolucji są w stanie utworzyć zderzające się czarne dziury - wyjaśnia prof. Belczyński.

Uzyskanie wyników było możliwe dzięki udoskonaleniu wcześniejszych symulacji, prowadzonych przez zespół prof. Belczyńskiego. - W nowych symulacjach poprawiliśmy dane wejściowe. Zmieniliśmy sposób prognozowania tego, jak gwiazdy tworzyły się w przeszłości. Uwzględniliśmy też metaliczność gwiazd. Po trzecie do tej pory ewoluowaliśmy 10-20 mln gwiazd - maleńką część Wszechświata. Teraz ewoluujemy około miliarda gwiazd. Nasze modele stały się dzięki temu dużo dokładniejsze - opisuje prof. Belczyński.

W wykonaniu symulacji i astrofizycznych obliczeń pomogły tysiące domowych komputerów uczestniczących w programie "Wszechświat w domu". Naukowcy z Obserwatorium Astronomicznego UW oraz informatycy: Grzegorz Wiktorowicz, Wojciech Gładysz oraz Krzysztof Piszczek, przygotowali go, aby w wyliczenia zaangażować zwykłych ludzi, a właściwie ich komputery, a tym zwiększyć komputerowe moce i szybkość dokonywania obliczeń.

Wyniki badań zespołu, w którym - oprócz prof. Belczyńskiego - znaleźli się: prof. Tomasz Bulik, Daniel E. Holz z University of Chicago i Richard O’Shaughnessy z Rochester Institute of Technology, opublikowało prestiżowe pismo Nature, a dofinansowało Narodowe Centrum Nauki.

PAP - Nauka w Polsce