Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy
Sign in to follow this  
KopalniaWiedzy.pl

Polski naukowiec przegrał zakład. LIGO i Virgo zarejestrowały sygnały z rzadkiej populacji czarnych dziur

Recommended Posts

Teorie mówią, że nie istnieją gwiazdowe czarne dziury o takiej masie. Ale, jak wiemy, natura zawsze znajdzie jakiś sposób, mówi Stan Woosley, astrofizyk z University of California, Santa Cruz. Uczony skomentował w ten sposób to, co zarejestrowały wykrywacze fal grawitacyjnych LIGO i Virgo. A przechwyciły one sygnał świadczący o niezwykle mało prawdopodobnej kolizji czarnych dziur o rzadko spotykanej masie.

Eksperci,  którymi kontaktowali się dziennikarze poinformowali, że wśród 22 fal grawitacyjnych zarejestrowanych od kwietnia przez LIGO/Virgo znajduje się taki, który pochodzi od czarnej dziury o masie nawet 100 mas Słońca. Dzisiaj naukowcy potwierdzili, że zauważyli kolizję dwóch czarnych dziur o masach 65 i 85 mas Słońca, w wyniku której powstała czarna dziura o masie 150 mas Słońca.

Krzysztof Bełczyński, astrofizyk z Uniwersytetu Warszawskiego, był tak pewien, iż zderzenie takich czarnych dziur jest mało prawdopodobne, że w 2017 roku w podczas spotkania w Aspen Center For Physics wraz z Danielem Holzem z University of Chicago zawarli zakład stwierdzając, iż żadna czarna dziura o takiej masie nie zostanie wykryta w pierwszych 100 sygnałach LIGO/Virgo. Do zakładu dołączył później też Woosley. Zakład przyjęło troje innych naukowców. Myślę, że przegramy ten zakład. Ku chwale nauki, mówi Bełczyński.

W 1967 roku fizycy z Uniwersytetu Hebrajskiego w Jerozolimie odkryli, że jeśli umierająca gwiazda ma bardzo masywne jądro, to nie zapadnie się ono w czarną dziurę. Gwiazda taka zmieni się w supernową niestabilności kreacji par (pair-instability supernova).

Do jej powstania dochodzi, gdy jądro gwiazdy staje się tak gorące, iż światło spontanicznie zamienia się w nim w pary elektron-pozyton. Dotychczas ciśnienie światła zapewniało stabilność jądra. Gdy zaczyna się ono zamieniać w materię ciśnienie to spada, jądro gwałtownie się kurczy, staje się coraz gorętsze, to z kolei przyspiesza produkcję par elektron-pozyton. Powstaje samonapędzający się mechanizm. W końcu temperatura rośnie do tego stopnia, że dochodzi do fuzji tlenu. W jego wyniku implozja zostanie zatrzymana, a rozpoczyna się proces odwrotny. Następuje eksplozja jądra. Jeśli jądro miało masę 65–130 mas Słońca, cała materia zostaje rozrzucona. Po gwieździe pozostaje mgławica. Jądro nie zapada się, nie powstaje czarna dziura.

Jeśli natomiast jądro, w którym doszło do niestabilności kreacji par miało masę od 50 do 65 mas Słońca, dochodzi do serii eksplozji, które stopniowo wyrzucają materię dopóty, dopóki masa jądra nie spadnie poniżej limitu, w którym niestabilność kreacji par już nie zachodzi. Z tego wynika, że nie powinny istnieć gwiazdowe czarne dziury o masie pomiędzy 50 a 130 mas Słońca. To bardzo proste obliczenia, mówi Woosley, którego praca z 2002 roku na ten temat jest uważana za ostateczne wyjaśnienie problemu.

Mogą za to istnieć, i istnieją, czarne dziury o masie większej niż 130 mas Słońca, gdyż implozja tak masywnego jądra nie może zostać zatrzymana, nawet w wyniku fuzji tlenu. Jądro zapada się do czarnej dziury. Jednak, jako że gwiazdy tracą masę przez całe swoje życie, gwiazda, która utworzyłaby jądro o masie ponad 130 mas Słońca musiałaby mieć co najmniej masę 300 mas Słońca. Tak masywne gwiazdy są niezwykle rzadkie. Dlatego też większość ekspertów uznaje, że LIGo/Virgo może wykryć kolizje czarnych dziur o masach nie przekraczających 50 mas Słońca.

Znamy też supermasywne czarne dziury o masach miliony i miliardy raza większych od masy Słońca, jednak powstają one w inny sposób, a LIGO i Virgo nie są w stanie wykryć ich zderzeń.

Dlatego tylko niewielu specjalistów uważało, że LIGO i Virgo zauważą kolizje czarnych dziur o masach ponad 50 mas Słońca. Stąd wyzwanie, jakie w formie zakładu rzucili im Bełczyński, Holz i Wooley. Zakład ten przyjęli Carl Rodriguez z MIT, Sourav Chatterjee z Tata Institute for Fundamental Research z Mombasy, do których dołączył później Fred Rasio z Northwestern University. Przegrani mają kupić każdemu z wygranych butelkę wina o wartości 100 USD.

Rodriguez, Chatterjee i Rasio stwierdzili, że co prawda większość kolizji wykrywanych przez LIGO i Virgo prawdopodobnie ma swój początek w izolowanych układach podwójnych, ale niewielka część z nich może zachodzić w gęstych środowiskach takich jak gromady kuliste. Tam zaś, ich zdaniem, może zdarzyć się tak, że np. czarna dziura o masie 50 mas Słońca najpierw wchłonie czarną dziurę o masie 30 mas Słońca, a później znowu połączy się z jakąś czarną dziurą. LIGO/Virgo może zarejestrować to drugie zdarzenie, zatem zauważy zderzenie czarnych dziur, z których co najmniej jedna będzie miała masę pomiędzy 50 a 130 mas Słońca. Istnieje też jeszcze inna możliwość. Otóż kolizja taka może rozpocząć się również w izolowanym układzie podwójnym. Jeśli jedna z gwiazd układu utworzy czarną dziurę, a układ nadal będzie istniał, to czarna dziura może wchłaniać masę z towarzyszącej jej gwiazdy, rosnąc powyżej „zakazanego” limitu. Później, gdy druga z gwiazd utworzy czarną dziurę, może dojść do kolizji obu czarnych dziur i zarejestrowania tego wydarzenia na Ziemi.

Krzysztof Baczyński i jego koledzy przegrali więc zakład. Woosley wciąż uważa, że granica „zakazanej masy” istnieje. Jego zdaniem, wśród olbrzymiej liczby czarnych dziur musi istnieć – mimo nielicznych wyjątków – wyraźny spadek liczby czarnych dziur w zakresie masy od 50 do 130 mas Słońca. A te nieliczne istniejące wyjątki to wynik tego, że natura nie znosi próżni.


« powrót do artykułu

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now
Sign in to follow this  

  • Similar Content

    • By KopalniaWiedzy.pl
      Europejski projekt budowy wielkiego wykrywacza fal grawitacyjnych znalazł się o krok bliżej realizacji. European Strategy Forum on Research Infrastructures (ESFRI), które doradza rządom Unii Europejskiej odnośnie priorytetów badawczych, wpisało Einstein Telescope, bo tak się ma nazywać laboratorium, na mapę drogową projektów naukowych, które są na tyle zaawansowane, że warto, by nadal się rozwijały.
      Einstein Telescope ma kosztować 1,9 miliarda euro. Twórcy projektu muszą jeszcze przekonać rządy do swojego pomysłu. Wpisanie na listę ESFRI nie jest obietnicą finansowania, ale pokazuje, że istnieje wola kontynuowania projektu, mówi współprzewodniczący komitetu kierującego Einstein Telescope, Harald Lück w Uniwersytetu im. Leibniza w Hanowerze.
      Działania ESFRI zostały z zadowoleniem przywitane przez naukowców USA, którzy mają nadzieję, że pomoże to w realizacji ich własnych planów budowy pary wykrywaczy większych niż Einstein Telescope. Amerykański projekt nosi nazwę Cosmic Explorer. Myślę, że to dobry czas, by rozpocząć tego typu budowę, mówi David Reitze, dyrektor LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), obserwatorium, w którym wykryto pierwsze fale grawitacyjne.
      Wykrywacze fal grawitacyjnych rejestrują niewielkie zaburzenia przestrzeni wywoływane przez masywne obiekty, jak np. czarne dziury, które krążą wokół siebie i w końcu się łączą. Wykrywacze takie to olbrzymie urządzenia. Amerykański LIGO składa się z pary interferometrów znajdujących się w stanach Louisiana i Washington. Każdy z nich ma kształt litery L, a każde z ramion ma 4 kilometry długości. Porównując długość ramion z olbrzymią dokładnością, można stwierdzić, czy doszło do jej zmiany w wyniku przejścia fali grawitacyjnej. Z kolei europejski wykrywacz Virgo, który znajduje się we Włoszech, ma ramiona o długości 3 km.
      Naukowcy chcieliby jednak zbudować większe instrumenty. LIGO i Virgo, do których niedawno dołączył japoński KAGRA, są w stanie wykrywać połączenia czarnych dziur z odległości ponad 10 miliardów lat świetlnych. Gdyby jednak zbudować 10-krotnie bardziej czułe detektory, moglibyśmy rejestrować takie wydarzenia w całym obserwowalnym wszechświecie, na przestrzeni 45 miliardów lat świetlnych. Stąd też niezwykle ambitne plany.
      Amerykański Cosmic Explorer ma składać się z jednego lub więcej interferometrów w kształcie litery L, której ramiona mają mieć po 40 km długości. Z kolei projekt Einsten Telescope zakłada budowę 6 interferometrów w kształcie litery V, o ramionach długości 10 kilometrów każde. Mają być one ułożone na planie trójkąta równobocznego, z 2 interferometrami w każdym z rogów.
      Fizycy z USA i Europy chcą, by ich detektory powstały do połowy lat 30. XXI wieku. Umieszczenie Einstein Telescope na liście ESFRI to krok naprzód w realizacji europejskich planów. W ciągu najbliższych 3–4 lat pomysłodawcy Einstein Telescope powinni przedstawić bardziej szczegółowy plan i raport techniczny. Muszą też w tym czasie zdobywać poparcie dla swojego pomysłu zarówno ze strony polityków, jak i środowisk naukowych, angażując do współpracy kolejnych specjalistów. Obecnie projekt Einstein Telescope może liczyć na poparcie z Belgii, Włoch, Holandii, Polski i Hiszpanii.
      Einstein Telescope, jeśli zostanie zrealizowany, może przybrać kształt podobny do CERN-u.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      W 1971 roku Stephen Hawking stwierdził, że powierzchnia horyzontu zdarzeń czarnej dziury nie może się skurczyć. Teraz, niemal 50 lat po sformułowaniu tego prawa, fizycy z MIT i innych uczelni potwierdzili, że Hawking miał rację.
      Naukowcy wykorzystali przy tym sygnał grawitacyjny GW150914. To pierwsza fala grawitacyjna, wykryta przez LIGO w 2015 roku. Fala powstała w wyniku oddziaływania dwóch krążących wokół siebie czarnych dziur, w które w końcu się połączyły w jedną czarną dziurę.
      Jeśli Hawking miał rację, to powierzchnia horyzontu zdarzeń nowej czarnej dziury nie powinna być mniejsza od powierzchni horyzontów zdarzeń jej dwóch dziur. Fizycy przeanalizowali sygnał GW150914 sprzed i po zderzeniu dziur i stwierdzili, że po połączeniu obiektów całkowita powierzchnia nowego horyzontu zdarzeń nie zmniejszyła się.
      To pierwsze obserwacyjne potwierdzenie słów Hawkinga. Dotychczas specjaliści byli w stanie udowodnić je matematycznie, ale nie obserwacyjnie. Autorzy badań chcą przeanalizować inne fale grawitacyjne, by sprawdzić, czy również i w nich znajdą potwierdzenie sformułowanego przez Hawkinga prawa.
      Możliwe, że istnieje wiele różnych kompaktowych obiektów w przestrzeni kosmicznej. Niektóre z nich mogą być czarnymi dziurami, dla których opisy Einsteina i Hawkinga są ważne, inne zaś mogą zachowywać się nieco inaczej. To nie jest tak, że wystarczy potwierdzić coś raz i tyle wystarczy, mówi główny autor badań, Maximiliano Isi z Kavli Institute for Astrophysics and Space Research. W badaniach bali tez udział Will Farr ze Stony Brook University, Matthew Giesler i Saul Teukolsky z Cornell University oraz Mark Scheel z Caltechu.
      Gdy w 2015 roku LIGO wykrył fale grawitacyjne, Stephen Hawking skontaktował się z profesorem Kipem Thornem, współzałożycielem LIGO i zapytał go, czy wykrycie fal grawitacyjnych pozwala potwierdzić jego twierdzenie o powierzchni horyzontu zdarzeń. Wówczas jednak naukowcy nie byli w stanie pozyskać z sygnału odpowiednich danych sprzed i po połączeniu czarnych dziur, więc nie mogli porównać powierzchni horyzontów zdarzeń.
      Dopiero w 2019 roku Isi i jego koledzy opracowali technikę, która pozwoliła na pozyskanie odpowiednich informacji z konkretnych zarejestrowanych częstotliwości. Informacje te można następnie wykorzystać do obliczenia masy i spinu czarnej dziury. Z kolei masa i spin są bezpośrednio związane z powierzchnią horyzontu zdarzeń.
      Gdy już mieli tę technikę opanowaną, „wystarczyło” podzielić sygnał GW150914 w jego szczycie. Analiza sygnału sprzed szczytu pochodziła z dwóch krążących wokół siebie czarnych dziur, a nowa technika pozwoliła na określenie ich masy i spinu sprzed połączenia się. Na tej podstawie wyliczyli powierzchnię horyzontu zdarzeń obu czarnych dziur na około 235 000 kilometrów kwadratowych. Następnie w podobny sposób policzyli powierzchnię horyzontu zdarzeń nowo powstałej czarnej dziury i okazało się, że wynosi ona 367 000 km2.
      Dane bezsprzecznie pokazują, że po połączeniu powierzchnia horyzontu zdarzeń zwiększyła się, mówi Isi.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Zestaw czterech 40-kilogramowych luster używanych przez obserwatorium fal grawitacyjnych LIGO zostały schłodzony tak bardzo, że lustra znalazły się bardzo blisko minimalnego stanu energetycznego. Tym samym są największymi obiektami, jakie kiedykolwiek znajdowały się tak blisko stanu podstawowego. Dotychczas stan podstawowy udało się uzyskać jedynie w przypadku przedmiotów ważących ułamki grama.
      W świecie kwantowym temperatura i ruch są jednym i tym samym. Im więcej cząstek się porusza, tym obiekt ma wyższą temperaturę. Aby wprowadzić obiekt w stan podstawowy konieczne jest usunięcie kwantów energii tych wibracji, fononów.
      Chirs Whittle i jego zespół z Massachusetts Institute of Technology schłodził cały system z temperatury pokojowej do 77 nanokelwinów. Dokonano tego za pomocą jednego z systemów LIGO, który wykorzystuje światło do pomiaru wibracji luster. Następnie wykorzystano pole elektromagnetyczne do spowolnienia tych wibracji. To działa podobnie, jak w przypadku dziecka na huśtawce. Jeśli chcesz zatrzymać huśtawkę, musisz przyłożyć siłę odwrotnie do kierunku ruchu, mówi Whittle.
      Jako, że wibracje, które naukowcy chcieli usunąć, były niezwykle małe, konieczne było dokonanie superprecyzyjnych pomiarów, by się dowiedzieć, jaką siłę należy przyłożyć, by je zniwelować. Dzięki precyzyjnym pomiarom i użyciu niezwykle dokładnych systemów LIGO udało się zmniejszyć liczbę fononów obecnych w dowolnym momencie z 10 bilionów (10 000 000 000 000) do zaledwie 11.
      Celem pracy Whittle'a jest wyjaśnienie, dlaczego obiekty makroskopowe nie występują w stanie podstawowym. Niektórzy fizycy sądzą, że przyczyną jest obecność grawitacji. Jeśli chcesz to sprawdzić, potrzebujesz dwóch rzeczy. Po pierwsze, obiektu na tyle dużego, że można zmierzyć wpływ grawitacji na ten obiekt, po drugie – możliwości wprowadzenia tego obiektu w stan podstawowy, mówi jeden z badaczy, Vivishek Sudhir.
      Jeśli nauczylibyśmy się standardowo wprowadzać obiekty makroskopowe w stan podstawowy, zwiększyłoby to czułość takich urządzeń jak LIGO. To jednak bardzo odległa przyszłość.
      Przed rokiem udało się zmierzyć ruch 40-kilogramowego lustra LIGO wywołany fluktuacjami kwantowymi.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Na łamach Monthly Notices of the Royal Astronomical Society pojawiły się wyniki nowego teoretycznego studium mechanizmu powstawania supermasywnych czarnych dziur. Jego autorzy, międzynarodowy zespół naukowy, twierdzą, że supermasywne czarne dziury nie muszą powstawać ze zwykłej materii, a mogą tworzyć się bezpośrednio z ciemnej materii.
      Powstawanie i ewolucja czarnych dziur to wciąż jedna z zagadek astronomii. Wiemy, że supermasywne czarne dziury istniały już 800 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Wciąż nie wiemy, jak mogły uformować się tak szybko.
      Standardowe modele tworzenia się czarnych dziur mówi o materii barionowej, która zapadła się pod wpływem grawitacji, utworzyła czarną dziurę, która z czasem rosła wchłaniając pobliską materię.
      Autorzy nowej pracy badali teoretyczne możliwości istnienia stabilnych jąder galaktyk utworzonych z jądra z ciemnej materii i otaczającej je rozproszonego halo ciemnej materii. W czasie badań zauważyli, że centralne miejsca takich struktur mogą stać się tak gęste, że po przekroczeniu pewnej granicy zapadną się tworząc supermasywną czarną dziurę.
      Z modelu wynika, że takie zjawisko może zachodzić znacznie szybciej niż inne mechanizmy powstawania supermasywnych czarnych dziur. Na tyle szybko, że mogły się one formować we wczesnym wszechświecie, zanim jeszcze powstały galaktyki, w centrach których się znajdują.
      Nowy scenariusz formowania może wyjaśniać, w jaki sposób supermasywne czarne dziury powstały we wczesnym wszechświecie, bez potrzeby odwoływania się do wcześniejszego powstania gwiazd czy formowania się czarnych dziur o nierealnym tempie wzrostu, mówi główny autor badań Carlos R. Argüelles z Universidad Nacional de La Plata.
      Nasza praca pokazuje, że wewnątrz halo ciemnej materii mogą znajdować się gęste ośrodki, które mogą wyjaśniać formowania się supermasywnych czarnych dziur, mówi uczony.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Ziemia jest bliżej supermasywnej centralnej czarnej dziury – Sagittariusa A* – naszej galaktyki i porusza się szybciej niż dotychczas sądzono. Tak wynika z nowej mapy sporządzonej na podstawie ponad 15-letnich badań prowadzonych przez japoński projekt astronomiczny VERA.
      VERA (VLBI Exploration of Radio Astrometry) wystartował w 2000 roku. Głównym zadaniem projektu jest określenie struktury przestrzennej i prędkości obiektów w Drodze Mlecznej. Naukowcy wykorzystują technikę interferometrii, która pozwala połączyć dane z różnych radioteleskopów znajdujących się w Japonii i uzyskać obraz o takiej rozdzielczości, jak z jednego radioteleskopu o średnicy 2300 kilometrów. Uzyskano w ten sposób rozdzielczość wynoszącą 10 mikrosekund kątowych. To rozdzielczość wystarczająca, by – przynajmniej teoretycznie – dostrzec z Ziemi 2-złotówkę leżącą na powierzchni Księżyca.
      Jako, że Ziemia znajduje się wewnątrz Drogi Mlecznej, nie możemy badać naszej galaktyki z zewnątrz. Żeby zrozumieć strukturę Drogi Mlecznej musimy posłużyć się astrometrią, dokładnymi pomiarami pozycji i ruchu obiektów w naszej galaktyce. Dzięki temu jesteśmy w stanie odtworzyć jej trójwymiarową strukturę.  Właśnie opublikowano First VERA Astrometry Catalog, w którym znajdują się dokładne dane dotyczące 99 obiektów Drogi Mlecznej.
      Dzięki temu dowiedzieliśmy się właśnie, że Ziemia porusza się wokół centrum Drogi Mlecznej z prędkością 227 km/s, czyli o 7 km/s szybciej, niż sądziliśmy. Jest też o 2000 lat świetlnych bliżej Sagittariusa A*. Od centralnej czarnej dziury dzieli nas zatem 25 800 lat świetlnych, a nie 27 700 lat świetlnych.
      Teraz VERA obserwuje kolejne obiekty, szczególnie te znajdujące się blisko czarnej dziury. Projekt VERA przystąpił też do programu EAVN (East Asian VLBI Network), w ramach którego współpracują ze sobą radioteleskopy w Japonii, Korei Południowej i Chin. Dzięki zwiększeniu liczby urządzeń oraz odległości pomiędzy nimi EAVN osiągnie większą rozdzielczość niż VERA i dostarczy jeszcze bardziej dokładnych danych.

      « powrót do artykułu
  • Recently Browsing   0 members

    No registered users viewing this page.

×
×
  • Create New...