Największe w historii zderzenie czarnych dziur rzuca wyzwanie teoriom ich powstawania

Gdy cisza czasoprzestrzeni została przerwana

23 listopada 2023 r. najczulsze na Ziemi instrumenty do wykrywania fal grawitacyjnych zarejestrowały krótkie, lecz wyraźne zmarszczki czasoprzestrzeni. Sygnał był tak niezwykły, że badacze analizowali go przez wiele miesięcy – a gdy wyniki zaprezentowano w połowie lipca 2025 r., wywróciły one do góry nogami oczekiwania dotyczące powstawania najcięższych gwiazdowych czarnych dziur.

Co wykryto

Dlaczego jest to problem dla standardowej teorii

Przez dziesięciolecia modele ewolucji gwiazd przewidywały przerwę w spektrum mas czarnych dziur. Oczekuje się, że bardzo masywne gwiazdy, które nominalnie powinny wytworzyć czarne dziury o masach od około 60 do 130 mas Słońca, przechodzą zamiast tego proces niestabilności kreacji par, który albo wyrzuca znaczną część masy gwiazdy, albo całkowicie ją rozrywa, nie pozostawiając żadnej zwartej pozostałości. Ten teoretyczny zakres nazwano „przerwą masową wynikającą z niestabilności par”.

Jak mogły powstać tak masywne, szybko rotujące czarne dziury?

• Łączenie hierarchiczne: W gęstych środowiskach, takich jak gromady kuliste lub zatłoczone centra młodych gromad gwiazd, czarne dziury mogą łączyć się wielokrotnie. Każda fuzja wytwarza cięższą, często szybko rotującą pozostałość, która może później znaleźć kolejnego partnera. Powtarzanie tego procesu przez pokolenia pozwala budować obiekty wewnątrz i powyżej przerwy masowej.
• Akrecja wewnątrz aktywnego jądra galaktyki (AGN): Masywne czarne dziury krążące wewnątrz gęstego, gazowego dysku wokół supermasywnej czarnej dziury mogą pochłaniać gaz i migrować, zwiększając swoją masę przed połączeniem. Środowisko to może również ustawiać spiny w złożony sposób, co prowadzi do wysokich wartości spinów obserwowanych w przypadku GW231123.
• Egzotyczne kanały lub rewizja fizyki gwiazd: Niektóre modele proponują modyfikacje sposobu funkcjonowania niestabilności kreacji par – być może ze względu na inną metaliczność, rotację lub mieszanie w gwiazdach progenitorowych – co mogłoby pozwolić na bezpośrednie powstawanie cięższych pozostałości, niż wcześniej sądzono.

Każdy scenariusz ma swoje mocne i słabe strony. Bardzo wysokie spiny zmierzone dla GW231123 przemawiają za pochodzeniem hierarchicznym, w którym wcześniejsze fuzje zwiększyły moment pędu. Jednak kanały hierarchiczne mają również tendencję do randomizacji kierunków spinu w kolejnych pokoleniach, co może pozostawiać w fali grawitacyjnej sygnatury trudniejsze do potwierdzenia ze względu na krótki czas trwania tego sygnału.

Dlaczego dane są trudne do zinterpretowania

Ponieważ dwie łączące się czarne dziury były tak masywne, detektory zarejestrowały tylko ostatnie chwile ich zbliżania się (inspiral) i fuzji – około jednej dziesiątej sekundy. Oznacza to mniej cykli fal grawitacyjnych i mniej informacji potrzebnych do ustalenia parametrów, takich jak stosunek mas, orientacja i kąty nachylenia spinu. Różne modele przebiegu fal (waveforms) używane do wnioskowania o właściwościach układu nie są w pełni zgodne, co wprowadza niepewności systematyczne w szacunkach masy i spinu.

Te różnice w modelowaniu mają znaczenie: jeśli jedna rodzina przebiegów fal sugeruje nieco inne masy lub spiny niż inna, interpretacja astrofizyczna – czyli to, czy składniki rzeczywiście znajdują się w przerwie masowej, czy też ją ograniczają – może ulec zmianie. Dlatego zespół badawczy zachowuje ostrożność w kwestii deklarowanej precyzji i prowadzi dalsze prace nad ulepszonymi modelami fal oraz niezależnymi analizami.

Miejsce odkrycia w szerszym kontekście

GW231123 to kolejne po wcześniejszych detekcjach fal grawitacyjnych odkrycie, które sugeruje istnienie nieoczekiwanie ciężkich czarnych dziur. Pierwsza wyraźna czarna dziura o masie pośredniej powstała z układu podwójnego, GW190521 w latach 2019–2020, już stanowiła wyzwanie dla modeli. Ponowne analizy archiwalnych danych LIGO ujawniły również kandydatów na zdarzenia, które wytworzyłyby pozostałości o masie pośredniej, co sugeruje, że możemy obserwować wcześniej ukrytą populację.

Dowody na wielokrotne fuzje masywnych obiektów mają szerokie konsekwencje. Wpływają na nasze rozumienie tego, jak żyły i umierały pierwsze pokolenia gwiazd, na dynamikę wewnątrz gęstych gromad gwiazd oraz na rolę gazowych środowisk galaktycznych. Stanowią one również empiryczną drogę do powstawania czarnych dziur o masie pośredniej – długo poszukiwanego ogniwa łączącego czarne dziury o masie gwiazdowej z czarnymi dziurami supermasywnymi.

Co dalej

Badacze będą doprecyzowywać oszacowania parametrów przy użyciu bardziej zaawansowanych modeli przebiegu fal, celowanych symulacji numerycznej relatywistyki oraz niezależnych kodów do estymacji parametrów. Techniki uczenia maszynowego i ponowne analizy zarchiwizowanych danych będą nadal ujawniać kandydatów na fuzje masywnych obiektów, co pomoże zbudować statystyczną pewność co do tej populacji.

Napięcie i nowa szansa

GW231123 to nie tylko kolejny wpis w rosnącym katalogu odkryć fal grawitacyjnych. To wyzwanie: punkt danych, który naciska na teoretyczną granicę i zmusza astrofizyków do rozszerzenia lub zastąpienia części standardowej historii. Niezależnie od tego, czy odpowiedź tkwi w powtarzających się kolizjach wewnątrz zatłoczonych gromad, żarłocznych czarnych dziurach pochłaniających gaz w jądrach galaktyk, czy też w rewizji fizyki śmierci gwiazd, odkrycie to otwiera nowe okno na to, jak natura buduje najcięższe obiekty zwarte.

Na razie sygnał ten stanowi uderzające przypomnienie o naukowej wartości nasłuchiwania wszechświata poprzez fale grawitacyjne – i o tym, że niektóre z najciekawszych tajemnic kosmosu docierają do nas jako krótkie, potężne szeptania.

James Lawson jest reporterem śledczym ds. nauki i technologii w Dark Matter. Posiada tytuł magistra komunikacji naukowej oraz licencjata fizyki uzyskany w University College London.