Prosto z nieba: Znowu ta szczelina

Powracamy do kwestii „szczeliny masowej”, czyli hipotetycznej przerwy (luki) w rozkładzie mas gwiazd neutronowych i czarnych dziur, z grubsza pomiędzy 3 a 5  $M_{\odot }.$ Ostatnio pisaliśmy o niej w  ${\mathrm{\Delta }}_{24}^9$ , tym razem pojawia się znów z powodu publikacji zespołu LIGO-Virgo-KAGRA (LVK). Detekcja interesującego sygnału GW230529 nastąpiła 29 maja 2023 roku, czyli na początku trwającej wciąż kampanii obserwacyjnej LVK O4 (wiosna 2023 – jesień 2025).

Sygnał GW230529 jest szczególnie interesujący, ponieważ jego źródło – układ podwójny – składał się z obiektu o masie typowej dla gwiazd neutronowych, $1,4_{-0,2}^{+0,6}{M}_{\odot },$ oraz drugiego, o masie $3,6_{-1,2}^{+0,8}{M}_{\odot },$ znajdującego się w „szczelinie masowej”. Sygnały z układów podwójnych, zawierające składnik znajdujący się w „szczelinie”, były wcześniej rejestrowane przez detektory LIGO i Virgo, ale ten jest pierwszym, dla którego to masywniejszy składnik się w niej znajduje. Z uwagi na fakt, że w momencie detekcji działał tylko detektor LIGO Livingston (zwany L1), dokładna pozycja sygnału na niebie nie została określona. Pechowo, drugi detektor LIGO (Hanford, H1) był w trakcie uruchamiania, a detektor Virgo (V) był wtedy zupełnie wyłączony. W konsekwencji nie udało się zaobserwować ewentualnego promieniowania elektromagnetycznego, które mogło towarzyszyć ostatnim chwilom GW230529. Modele astrofizyczne przewidują w tym przypadku powstanie tzw. kilonowej, czyli eksplozji gorącej radioaktywnej materii po zderzeniu się składników, albo pływowego rozerwania gwiazdy neutronowej przez czarną dziurę jeszcze przed ostatecznym kolapsem.

Wykrycie GW230529 jest istotne z wielu powodów. Po pierwsze dostarcza kolejnego dowodu na istnienie obiektów zwartych w „szczelinie masowej”, obszarze wcześniej uważanym za słabo „zasiedlony”. Pozostaje oczywiście pytanie o naturę masywniejszego składnika: przypuszczalnie jest to małomasywna czarna dziura, ale nie jest wykluczone, że jest nim bardzo masywna gwiazda neutronowa (byłby to niezwykły prezent dla badaczy bardzo gęstej materii). Z analizy fali, która dotarła do detektora L1, wynika, że masywniejszy składnik miał niezaniedbywalny spin $\chi$ (bezwymiarowy moment pędu $\chi =cJ/(G{M}^2),$ $J$ to moment pędu) oszacowany na $\chi =0,{44}_{-0,37}^{+0,40}.$ Nie jest on jednak tak duży, jak oczekiwalibyśmy w przypadku czarnej dziury powstałej z wcześniejszego połączenia się dwóch mniejszych czarnych dziur. Szacuje się, że połączenie dwóch mniejszych nierotujących czarnych dziur prowadzi do powstania czarnej dziury o spinie $\chi \approx 0,7,$ który bierze się z transferu orbitalnego momentu pędu układu do spinu końcowego obiektu.

Obserwacja dowodzi, że wcześniejsze modele ewolucji gwiazd i procesów formowania się czarnych dziur mogą wymagać doprecyzowania, ponieważ już widać, że czarne dziury, zwłaszcza te lekkie, mogą tworzyć się na wiele sposobów, m.in. podczas zderzeń gwiazd neutronowych, a być może także w wyniku wybuchów specjalnej klasy asymetrycznych supernowych. Wydaje się więcej niż pewne, że „szczelina masowa” nie jest rzeczywistą luką w rozkładzie mas, lecz raczej odzwierciedleniem dotychczasowych ograniczeń obserwacyjnych. Nie do końca udana obserwacja GW230529 (nie udało się zobaczyć zjawiska w falach elektromagnetycznych) ma jednak istotne znaczenie dla „tradycyjnej” astrofizyki, skoro zarejestrowaliśmy GW230529, to w przyszłości wykryjemy więcej zdarzeń tego typu, potencjalnie z towarzyszącymi im sygnałami elektromagnetycznymi. Dostarczą one informacji o właściwościach i zachowaniach obiektów zwartych w tym zakresie mas.