Astrofizycy z Obserwatorium Astronomicznego Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego odkryli bowiem, że do pierwszych takich zderzeń może dojść dopiero za wiele miliardów lat.

Przed długi czas astronomowie żyli w przekonaniu, że największe gwiazdy
Wszechświata masami nie przekraczają 150 mas Słońca. 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 stu 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.

Gwiazdy o dużych masach mogą kończyć swój żywot na dwa sposoby: ich
materia może zostać wydmuchana w przestrzeń kosmiczną lub 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. Lecz do teraz nie udało się zaobserwować fal grawitacyjnych. 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 już w najbliższym czasie. Tak się jednak nie stanie.

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 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 też, 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.

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