Gravitační vlny z kolize supermasivních černých děr lze detekovat pomocí změn v signálu z pulzarů

16. 11. 2017

Černé díry Gravitační vlny Astronomie

Kolize masivních, energetických vesmírných objektů jako jsou černé díry nebo neutronové hvězdy jsou tak velké události, že při nich dochází k detekovatelné fluktuaci prostoru - gravitačním vlnám. Astronomům se doposud podařilo detekovat pětici takových kolizí, 4x šlo o kolizi černých děr a jednou o kolizi dvou neutronových hvězd. Jen těžko si lze ale představit větší kolizi než když se potkají dvě supermasivní černé díry, takové, které leží v centrech galaxií. Proč se astronomům doposud nepovedlo pozorovat gravitační vlny z tak masivní události?

Černá díra v centru Mléčné dráhy

Astronomové z NASA pořídili s Hubblovým teleskopem doposud neostřejší snímek galaktického středu Mléčné dráhy. Střed Mléčné dráhy je zahalen do mezihvězdných plynů a prachu, které komplikují jeho pozorování ve viditelném spektru. Tento snímek byl pořízen infračervenou kamerou NICMOS, která místo viditelného světla snímá teplo, které objekty vydávají. Vpravo dole je vidět spirálovité okolí supermasivní černé díry v centru galaxie. Černou díru přímo pozorovat nelze, na fotografii jsou vidět ionizované plyny, které byly zachyceny její gravitací.

Image credit:

Podle vědců jsou kolize supermasivních černých děr mnohokrát větší než u lehčích černých děr (černé díry hvězdné hmotnosti - stellar black holes), které se již podařilo detekovat. Tento druh extrémně masivních objektů dosahuje masy až miliardy Sluncí a nachází se v centru velkých galaxií. Oproti tomu menší, hvězdné černé díry, které vznikají "pouze" kolapsem masivních hvězd, dosahují masy několika desítek Sluncí.

Při kolizi supermasivních černých děr dochází ke vzniku silných gravitačních vln, jsou však v zatím nedetekovatelných nízkých vlnových délkách. Pro jejich detekci bude potřeba jiných nástrojů a jiného přístupu než jaký mají observatoře gravitačních vln LIGO a Virgo, které stály u prvních detekcí. 

S novým přístupem dnes na světě pracují tři observatoře sdružené v International Pulsar Timing Array (Parkes Pulsar Timing Array v Austrálii, North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves a European Pulsar Timing Array). Tyto observatoře pozorují pulzary a hledají změny v radiových signálech, které by napovídaly, že gravitační vlna změnila jejich frekvenci na cestě k Zemi.

Pulzary jsou rychle rotující vyhořelé hvězdy, které vysílají periodický radiový signál. Pokud by gravitační vlna prošla mezi Zemí a pulzarem, došlo by ke stlačení nebo natáhnutí prostoru a radiový signál by byl lehce pozměněný. Vědci očekávají, že by mohli detekovat první kolizi supermasivních černých děr do deseti let. 

Astronomové teď určili 90 kandidátů na potenciální dvojice supermasivních černých děr v blízkém okolí Mléčné dráhy. Jde o galaxie, které vznikly sloučením menších galaxií, kde vědci očekávají postupné přibližování černých děr v jejich centru. Právě rychlá vzájemná rotace páru černých děr uprostřed těchto galaxií by měla vyvolat nízko frekvenční gravitační vlny.

Na rozdíl od gravitačních vln detekovaných u menších černých děr, které jsou generovány těsně před samotnou kolizí, očekávají vědci u supermasivních černých děr výrazně delší dobu, po kterou gravitační vlny vznikají - až miliony let. U větších galaxií by toto období mělo být kratší, zatímco u menších galaxií (a tedy i menších supermasivních černých děr) by mělo být okno detekovatelných gravitačních vln větší.

Detekce kolize supermasivních černých děr by měla vědcům přinést nové informace o tom, jak vznikají velké galaxie a co se při takto extrémních událostech děje se samotnými černými dírami. Získané informace pomohou pochopit evoluci galaxií a zároveň také to, jak se vesmír vyvinul v prostředí, které dnes pozorujeme kolem sebe.