Niezwykły sygnał grawitacyjny dotarł do Ziemi w maju 2023 r. Wówczas znajdujący się w Luizjanie detektor LIGO zarejestrował przechodząca przez planetę falę grawitacyjną. Jej źródłem była kolizja dwóch niedużych i zwartych obiektów. 

Jeden z nich nie budzi wątpliwości. To gwiazda neutronowa. Jednak drugi stanowi dla astronomów zagadkę. Jego masa wynosi między 2,5 a 4,5 masy Słońca. Jest to dokładnie ten przedział mas, w którym zgodnie z obowiązującymi teoriami nic nie powinno się znajdować. 

O wszystkim decyduje masa

Gwiazdy neutronowe i czarne dziury mogą mieć wspólne pochodzenie. Jedne i drugie stanowią często pozostałość masywnych gwiazd, w których ustały reakcje termojądrowe. Gwiazdy takie odrzucają swoje zewnętrzne warstwy. Natomiast ich jądro się zapada. W zależności od masy gwiazdy – wielkości, które decyduje o niemal wszystkim w kosmosie – w rezultacie kolapsu grawitacyjnego powstaje albo gwiazda neutronowa, albo czarna dziura. 

Jedne i drugie obiekty obserwowane są od wielu lat. Od wielu lat również naukowcy wyznaczają ich masy. Od 2015 r. pomagają w tym detektory fal grawitacyjnych. Wcześniej masy czarnych dziur o masie gwiazdowej (to jeden z rodzajów tych najpotężniejszych źródeł grawitacji w kosmosie) wyznaczono, mierząc promieniowanie rentgenowskie. Natomiast masy gwiazd neutronowych można było wyznaczyć, mierząc promieniowanie radiowe.

Dziwna luka między masami

Czym takich obserwacji przybywało, tym wyraźniej rysowała się pewna prawidłowość. Najcięższe gwiazdy neutronowe, jakie istniały miały masę 2,2–2,5 masy Słońca. Natomiast najlżejsze czarne dziury – 5 mas Słońca. Między tymi wielkościami istniała luka. Czyli – nie było dowodów istnienia ani czarnych dziur, ani gwiazd neutronowych, których masa mieściłaby się mieściłaby się między 2,4 a 5 mas Słońca. Wyglądało na to, że istnieje wyraźna granica oddzielająca od siebie te obiekty.

Później kilkukrotnie pojawiły się doniesienia o odkryciu obiektów o masie mieszczącej się w opisanej wyżej luce. Jednak za każdym razem wywoływały one dyskusję wśród astrofizyków. 

Sygnał z bardzo odległego kosmosu

Dlatego właśnie tak ważny jest sygnał GW230529 zarejestrowany przez LIGO w maju zeszłego roku. W tym przypadku naukowcy nie mają wątpliwości, co było jego źródłem. 650 mln lat temu gdzieś we Wszechświecie zderzyły się ze sobą dwa nieduże obiekty. Jednym z nich była gwiazda neutronowa o masie między 1 a 2 masy Słońca. Drugi jest dwa razy cięższy. 

Jak oszacowali astronomowie, ten tajemniczy obiekt ma masę między 2,5 a 4,5 masy Słońca. Czyli dokładnie wpasowującą się w opisaną wyżej lukę. Nie ma możliwości rozstrzygnięcia, czy również była to gwiazda neutronowa, czy czarna dziura. Jednak badacze skłaniają się do tej drugiej hipotezy.

Gdyby tak było, należałoby wyjaśnić, w jaki sposób powstaje czarna dziura o takiej masie. Według modeli raczej nie byłaby pozostałością po supernowej. Możliwe, że stanowi efekt ewolucji gwiazdy neutronowej zapadającej się w czarną dziurę. Jednak ten proces wymagałby dokładnego opisania.

Kolejna sesja obserwacyjna

Co ciekawe, nie wiadomo, gdzie w kosmosie doszło to tajemniczego zdarzenia. Sygnał GW230529 zarejestrował tylko jeden detektor grawitacyjny na Ziemi. Gdyby wyłapały go również inne detektory, wówczas istniałaby szansa na określenie kierunku, z którego napłynęły fale grawitacyjne.

Astronomowie zrzeszeni w LIGO-Virgo-KAGRA Collaboration (LVK) poinformowali o wykryciu sygnału GW230529 5 kwietnia podczas konferencji American Physical Society. Artykuł na ten temat przechodzi proces recenzji. Naukowcy mają nadzieję, że uda im się uchwycić inne ślady istnienia obiektów z „luki masowej” w czasie kolejnej sesji obserwacyjnej LVK. Rozpoczęła się ona 10 kwietnia. Do lutego 2025 r. badacze mają nadzieję zarejestrować ok. 200 sygnałów grawitacyjnych.


Źródła: EurekAlert, space.com.