Kosmiczne zderzenie dalej niż sądzono

Przed długi czas astronomowie żyli w przekonaniu, że największe gwiazdy Wszechświata masami nie przekraczają 150 mas Słońca - przypominają przedstawiciele Wydziału Fizyki UW w przesłanym PAP komunikacie. Trzy lata temu w gromadach gwiezdnych w Obłokach Magellana zidentyfikowano jednak gwiazdy "niemożliwe": monstra o masach między 200 a 300 mas Słońca.

Odkrycie wzbudziło ogromne zainteresowanie astrofizyków, zwłaszcza tych zajmujących się poszukiwanymi od niemal 100 lat falami grawitacyjnymi. Gdyby gwiazdy-monstra tworzyły ciasne układy podwójne, mogłoby dochodzić w nich do zderzeń. Powstające wtedy fale grawitacyjne byłyby wystarczająco potężne, by nawet współczesne detektory mogły je wykryć - i to z odległości znacznie większych niż w przypadku typowych gwiazdowych czarnych dziur.

"Na żadne tak spektakularne zderzenia nie ma jednak co liczyć" - twierdzi dr hab. Krzysztof Belczyński z Obserwatorium Astronomicznego Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. O najnowszych wynikach swoich analiz grupa dr. Belczyńskiego dyskutowała z uczestnikami odbywającej się w Warszawie X Konferencji Edoardo Amaldiego o Falach Grawitacyjnych, połączonej z XX Międzynarodową Konferencją Ogólnej Teorii Względności i Grawitacji (GR20/Amaldi10).

Jak przypomniano w komunikacie FUW, gwiazdy o dużych masach mogą kończyć swój żywot na dwa sposoby: ich materia może zostać wydmuchnięta w przestrzeń kosmiczną lub może zapaść się pod wpływem własnej grawitacji do czarnej dziury. Kilka miesięcy temu astrofizycy pod kierunkiem dr Norhaslizy Yusof z Uniwersytetu w Kuala Lumpur wykazali za pomocą modelowania komputerowego, że niektóre z supermasywnych gwiazd mogą tworzyć czarne dziury. Oznacza to, że w kosmosie rzeczywiście mogą występować układy podwójne supermasywnych gwiazd, które z czasem przekształciły się lub przekształcą w układy dwóch czarnych dziur o masach znacznie większych niż w typowych systemach gwiazdowych.

Obiekty krążące w ciasnych układach podwójnych zbudowanych z gwiazd neutronowych lub zwykłych czarnych dziur z czasem tracą swą energię, co prowadzi do zacieśniania orbit, a ostatecznie do zderzenia. Jego astronomicznym efektem może być potężny rozbłysk gamma. Eksplozji powinna towarzyszyć także emisja fal grawitacyjnych. Na razie jednak nie udało się takich fal zaobserwować. Obecnie istniejące detektory mogą "zobaczyć" zderzenia typowych czarnych dziur tylko w bliskim Wszechświecie. Co innego ze zderzeniami czarnych dziur powstałych z supermasywnych gwiazd. W tym przypadku fale grawitacyjne powinny być wystarczająco silne, by można je wykryć. Ale astrofizycy z UW uważają, że na razie takie fale wykryte nie zostaną.

Składniki typowych układów podwójnych dużych gwiazd, na przykład o masach 50 czy nawet 100 mas Słońca, tworzą się w odległości od siebie rzędu co najmniej kilkuset, a nawet kilku tysięcy promieni słonecznych. Obiekty te nie mogą rodzić się bliżej siebie, bo przez powstające zagęszczenia materii zlałyby się w jedną gwiazdę i układ podwójny by nie powstał. Zatem, aby w już uformowanym układzie podwójnym doszło do zderzenia, jego składniki muszą w jakiś sposób tracić energię orbitalną. Dzieje się to wskutek szybszej ewolucji jednego z obiektów, który w pewnym momencie zaczyna gwałtownie ekspandować. Drugi składnik układu porusza się wtedy w gęstej otoczce partnera i wskutek oddziaływania z nią szybko traci energię. W rezultacie jego orbita się zacieśnia w tzw. procesie wspólnej otoczki.

"W układzie podwójnym gwiazd supermasywnych sytuacja wygląda inaczej - mówi dr Belczyński. - Wiemy, że składniki takiego układu muszą się uformować w stosunkowo dużej odległości od siebie. Wiemy, że supermasywne gwiazdy nie ekspandują, więc nie może dojść do fazy wspólnej otoczki. Oznacza to, że nie ma żadnego mechanizmu fizycznego, który pozwoliłby na efektywne zacieśnianie orbit!".

W tej sytuacji jedynym procesem pozwalającym na stopniową utratę energii przez pozostałości supermasywnych gwiazd w układzie podwójnym jest emisja fal grawitacyjnych. Lecz fale grawitacyjne emitowane przez taki układ są bardzo słabe i utrata energii jest powolna.

"Zanim składniki układu zawierającego czarne dziury po supermasywnych gwiazdach dostatecznie zbliżą się do siebie, muszą upłynąć dziesiątki, jeśli nie setki miliardów lat. To czas wielokrotnie dłuższy niż ten, który minął od Wielkiego Wybuchu. Praktycznie nie ma więc żadnych szans, by zaobserwować podobne zjawisko na niebie. Chyba że..." - urywa dr Daniel Holz z Uniwersytetu w Chicago.

"No właśnie: chyba, że dotychczasowe modele ewolucji gwiazd i formowania się układów podwójnych w obłokach materii są błędne. Wtedy zaobserwowanie spektakularnej katastrofy w kosmosie oznaczałaby spektakularną katastrofę współczesnych teorii astrofizycznych" - podsumowują przedstawiciele FUW w swoim komunikacie.

Badania grupy dr. Belczyńskiego zostały sfinansowane w ramach grantu programu MISTRZ Fundacji na rzecz Nauki Polskiej.

Konferencja GR20/Amaldi10, która trwa od 7 do 13 lipca, przyciągnęła do Warszawy blisko 900 najwybitniejszych naukowców zajmujących się wszystkimi dziedzinami fizyki, matematyki i astronomii, w których znaczenie mają efekty ogólnej teorii względności. Organizatorami obecnej edycji konferencji są: Polskie Towarzystwo Relatywistyczne oraz Uniwersytet Warszawski.(PAP)