Naukowcy po raz pierwszy z dużą pewnością wykryli ślad eliptycznej orbity w sygnale fal grawitacyjnych z układu czarnej dziury i gwiazdy neutronowej – zdarzeniu GW200105. To odkrycie podważa dotychczasowe założenie, że takie układy przed zderzeniem są niemal idealnie wygładzone do orbit kołowych i sugeruje bardziej burzliwe środowiska ich narodzin.
Co wiemy o zdarzeniu GW200105?
GW200105 to sygnał fal grawitacyjnych zarejestrowany w czasie trzeciej kampanii obserwacyjnej detektorów LIGO i Virgo, pochodzący z połączenia czarnej dziury z gwiazdą neutronową. Nowa analiza, opublikowana w The Astrophysical Journal Letters” wykorzystała świeżo opracowany model fal grawitacyjnych uwzględniający jednocześnie precesję (kołysanie orbity związane ze spinem) i mimośród orbity, czyli jej spłaszczenie względem idealnego koła.
Autorzy pracy wyznaczyli tzw. mimośród e20 przy częstotliwości 20 Hz na poziomie około 0,145 i z 99,5% pewnością wykluczyli orbity prawie kołowe o e < 0,028. To pierwszy przypadek, gdy dla układu czarna dziura–gwiazda neutronowa udało się tak wyraźnie zmierzyć niezerowy mimośród tuż przed zderzeniem.
Fale grawitacyjne i wygładzanie orbit
Fale grawitacyjne powstają, gdy bardzo masywne obiekty – jak czarne dziury czy gwiazdy neutronowe – krążą wokół siebie i tracą energię, wysyłając zaburzenia czasoprzestrzeni. W miarę jak układ emituje fale grawitacyjne, traci energię orbitalną, zacieśnia orbitę i zwykle bardzo efektywnie ją zaokrągla: z czasem mimośród maleje niemal do zera.
Dlatego dotąd zakładano, że w momencie wejścia w pasmo czułości naziemnych detektorów (dziesiątki herców) orbity takich układów są praktycznie kołowe i większość analiz tak właśnie je modelowała. Nowy wynik pokazuje jednak, że przynajmniej część układów zachowuje wyraźnie eliptyczną orbitę aż do samej fazy zlania.
Jak odkryto eliptyczną orbitę?
Zespół Gonzala Morrasa i współpracowników zastosował nowy, zaawansowany model fali, który jednocześnie uwzględnia precesję spowodowaną spinem oraz mimośród orbity, i przeprowadził pełną analizę bayesowską sygnału GW200105. Porównano tysiące teoretycznych przebiegów z rzeczywistym sygnałem, pozwalając mimośrodowi przyjmować różne wartości zamiast z góry wymuszać orbitę kołową.
Okazało się, że scenariusz z orbitą kołową jest statystycznie bardzo mało prawdopodobny, natomiast najlepsze dopasowanie uzyskuje się dla wyraźnie eliptycznego ruchu tuż przed zderzeniem. Co więcej, uwzględnienie mimośrodu zmieniło także oszacowania mas: czarna dziura okazała się cięższa (około 11,5 masy Słońca), a gwiazda neutronowa lżejsza (około 1,5 masy Słońca), niż sugerowały wcześniejsze analizy zakładające orbitę kołową, a produkt zlania ma około 13 mas Słońca.
Skąd bierze się tak ekscentryczna para?
Jeśli orbity w izolowanych parach masywnych gwiazd rzeczywiście szybko się wygładzają przez emisję fal grawitacyjnych, to obecność dużego mimośrodu w GW200105 wskazuje na inny scenariusz powstania. Autorzy pracy argumentują, że układ musiał zostać podkręcony grawitacyjnie w gęstym środowisku, np. w gromadzie gwiazd lub w układzie potrójnym, gdzie trzecia gwiazda zaburza orbitę wewnętrznej pary.
W takich miejscach częste bliskie spotkania między gwiazdami i czarnymi dziurami mogą nadawać parom resztkowy mimośród nawet na etapie, gdy ich orbita jest już bardzo ciasna i emituje fale w paśmie LIGO/Virgo. Odkrycie GW200105 sugeruje więc, że przynajmniej część zderzeń czarnej dziury z gwiazdą neutronową nie rodzi się spokojnie w odizolowanych, układach podwójnych, ale w chaotycznych kosmicznych mrowiskach.
Co to zmienia w astronomii fal grawitacyjnych?
Przede wszystkim wynik ten pokazuje, że uproszczone założenie o orbitach kołowych może prowadzić do błędnych wniosków o masach i własnościach źródeł, jeśli w sygnale faktycznie obecny jest mimośród. Nowe modele fal grawitacyjnych – takie jak użyty w tej pracy – będą musiały stać się standardem, aby poprawnie interpretować coraz bogatszą populację zarejestrowanych zderzeń.
Po drugie, pomiar mimośrodu dostarcza cennego znacznika pochodzenia układu: orbitę eliptyczną trudno pogodzić z klasycznym scenariuszem ewolucji odizolowanej pary gwiazd, natomiast naturalnie wypływa ona z dynamicznych oddziaływań w gęstych środowiskach. To z kolei pomaga oszacować, jaki ułamek zderzeń czarna dziura–gwiazda neutronowa ma swoje źródło w gromadach gwiazd czy układach wielokrotnych, a jaki w bardziej spokojnych rejonach galaktyk.arxiv+3
Wreszcie, w miarę wzrostu czułości obecnych i przyszłych detektorów, takich jak LIGO, Virgo, KAGRA czy planowane instrumenty kosmiczne, astronomowie spodziewają się znaleźć więcej podobnych niegrzecznych układów. Każdy kolejny przypadek pozwoli lepiej zrozumieć, jak Wszechświat tworzy i miesza ze sobą najbardziej ekstremalne obiekty – czarne dziury i gwiazdy neutronowe.
Źródła
Główne źródło:
- G. Morras, G. Pratten, P. Schmidt, „Orbital eccentricity in a neutron star – black hole merger”, The Astrophysical Journal Letters (2026), wersja na arXiv: arxiv.org/abs/2503.15393
Źródła kontekstowe:
- Strona artykułu w ApJ Letters: „Orbital Eccentricity in a Neutron++ Star–Black Hole Merger”, IOPscience,
- Komunikat prasowy „Oval orbit casts new light on black hole–neutron star mergers”, University of Birmingham,
- Artykuł popularnonaukowy „Oval orbit casts new light on black hole–neutron star mergers”, phys.org,
- Popularne omówienia: „A black hole and neutron star just collided in a strange oval orbit”, ScienceDaily; inne podsumowania medialne.
Opracowanie: Agnieszka Nowak
