Daleko w głębi kosmosu dwie czarne dziury spiralnie zbliżają się do siebie i łączą. Potężne fale grawitacyjne z tego tańca śmierci ścigają się w kosmosie, aż ich fale docierają do trzech gigantycznych detektorów na Ziemi: dwóch w amerykańskim Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) i europejskiego detektora Virgo we Włoszech.

Detektory wyczuły dziesiątki takich kataklizmów w ciągu ostatnich 5 lat, ale ten z 21 maja 2019 roku był inny. Nie tylko była to najpotężniejsza i najbardziej odległa fuzja, jaką kiedykolwiek widziano, ale powstała czarna dziura należy również do klasy od dawna poszukiwanych średnich czarnych dziur, członkowie współpracy LIGO-Virgo donoszą dziś w dwóch nowych badaniach. Co ciekawe, dwie czarne dziury, które się połączyły są cięższe niż oczekiwano: Ich masy mieszczą się w luce, w której teoretycy uważają, że nie jest możliwe utworzenie czarnej dziury poprzez zwykłą drogę zapadającej się gwiazdy.

Czarne dziury klasy gwiezdnej są zazwyczaj tworzone, gdy dużej gwieździe kończy się paliwo jądrowe i zatrzymuje się silnik światła i ciepła. Bez tego zewnętrznego ciśnienia, zewnętrzne warstwy gwiazdy zapadają się pod wpływem grawitacji, wywołując kolosalną supernową i pozostawiając za sobą czarną dziurę. Jednak w przypadku największych gwiazd zapadanie się jest jeszcze bardziej katastrofalne, powodując gwałtowną eksplozję termojądrową, która niszczy gwiazdę i nie pozostawia po sobie nic. Teoretycznie oznacza to, że powinna istnieć granica masy czarnej dziury na poziomie około 65 mas Słońca.

Do maja 2019 roku, fuzje czarnych dziur wykryte przez LIGO i Virgo w dużej mierze wspierały tę granicę masy. Potem nastąpiło zdarzenie znane jako GW190521, które trwało zaledwie jedną dziesiątą 1 sekundy. Nie zostało ono zauważone przez zwykłe algorytmy, które skanują w poszukiwaniu fuzji binarnych (które zazwyczaj trwają kilka razy dłużej), ale zostało wychwycone przez oddzielny potok, który szuka „rzeczy, które wybuchają”, mówi Nelson Christensen, fizyk z Obserwatorium Cote d’Azur w Nicei i członek zespołu LIGO-Virgo.

Pomimo, że sygnał był krótki – zaledwie cztery cykle fal góra-dół – zespół wciąż mógł go analizować, wydobywając jego amplitudę, kształt i to, jak jego częstotliwość zmieniała się w czasie. „Był bardzo trudny do zinterpretowania” – mówi członek zespołu Alessandra Buonanno, dyrektor Instytutu Fizyki Grawitacyjnej Maxa Plancka (Instytut Alberta Einsteina). „Spędziliśmy wiele czasu przekonując samych siebie, by zaufać temu co znaleźliśmy.”

W dwóch opublikowanych dziś pracach – jednej opisującej detekcję w Physical Review Letters, a drugiej interpretującej dane w The Astrophysical Journal Letters – wspólny zespół LIGO-Virgo twierdzi, że model, który najlepiej pasuje do danych to dwie czarne dziury – ważące około 66 i 85 mas Słońca – łączące się w czarną dziurę o masie 142 Słońc. Pozostałe osiem mas Słońca zostałoby przekształcone w energię fal grawitacyjnych. „Była ona znacznie większa niż wszystko co do tej pory widzieliśmy,” mówi Christensen.

Czarna dziura o masie 142 mas Słońca natychmiast stawia ją w klasie samej w sobie. Podczas gdy astronomowie od dawna wiedzą o mniejszych czarnych dziurach i gigantach w centrach galaktyk, składających się z milionów lub miliardów Słońc, te o średnich rozmiarach – od 100 do 100 000 mas Słońca – były wyraźnie nieobecne. Astronomowie uważają, że są one potrzebne jako budulec dla supermasywnych czarnych dziur, i istnieją pośrednie dowody na ich istnienie, ale to może być najbardziej przekonująca obserwacja, choć na samym dole tego zakresu. „To jest tylko wskazówka, że istnieje coś w tym zakresie mas,” mówi astrofizyk Avi Loeb z Uniwersytetu Harvarda, który nie był zaangażowany w badania.

Może bardziej interesujące dla astrofizyków są początki dwóch łączących się czarnych dziur. Jaśniejsza z nich znajduje się tuż przy granicy luki masowej, więc równie dobrze mogła powstać z jednej ogromnej gwiazdy. Ale 85 mas Słońca jest trudne do wytłumaczenia. „Jest to ekscytujące, ponieważ było to nieoczekiwane,” mówi Loeb. „Luka masowa była solidna, ale teraz drzwi są otwarte dla nowych modeli.”

W swojej pracy interpretacyjnej, zespół przyjrzał się wielu możliwym wyjaśnieniom. Czarne dziury mogą być pierwotne, zawieszone od czasu burzy we wczesnym wszechświecie, zanim narodziły się pierwsze gwiazdy. Albo mogły to być małe czarne dziury, których fuzja została powiększona przez soczewkowanie grawitacyjne. A może – bardziej egzotycznie – falowanie pochodziło od kosmicznych strun, hipotetycznych defektów w próżni pozostałych po Wielkim Wybuchu. Jednak żadne z tych wyjaśnień nie pasowało do danych tak dobrze jak para łączących się gwiazd wagi ciężkiej. Tak więc zespół powrócił do „starej dobrej brzytwy Occama”, mówi Christensen: Najprostsze wyjaśnienie jest prawdopodobnie poprawne.

Loeb uważa, że ciężkie galaktyki są prawdopodobnie „wielopokoleniowe”, w których mniejsze czarne dziury w gęstych obszarach gwiazdotwórczych łączą się wielokrotnie, aby wytworzyć masy powyżej wartości granicznej. Galaktyki są często otoczone przez gęste skupiska gwiazd zwane gromadami kulistymi. Gromady te mogą zawierać setki tysięcy dawnych gwiazd: idealne miejsca do rozwoju dla czarnych dziur. Gdy czarne dziury zbliżają się do centrum gromady kulistej, istnieje większe prawdopodobieństwo, że połączą się z innymi. „Te środowiska są wyspecjalizowane, dlatego znajdujemy je dopiero teraz,” mówi, po tym jak LIGO i Virgo wyczuły ponad 60 fuzji.

Ale gromady prawdopodobnie zawierają czarne dziury o różnej masie, a nierównoległe fuzje produkują asymetryczne wybuchy, które mogą wyrzucić nową czarną dziurę z gromady z prędkością do 1000 kilometrów na sekundę. Aby gromady mogły być żłobkami dla czarnych dziur w luce masowej, odrzuty muszą być niskie, a gromady muszą być wystarczająco masywne, aby uniemożliwić im ucieczkę, mówi Loeb.

LIGO i Virgo są modernizowane i mają wznowić obserwacje w 2022 roku ze zwiększoną czułością, co pozwoli im badać trzy razy większą część kosmosu. Znalezienie większej ilości takich ciężkich fuzji „nauczy nas o astrofizyce takich gwiezdnych żłobków”, mówi Loeb. „Im więcej takich zdarzeń, tym więcej wskazówek na temat ich pochodzenia”

.