W listopadzie 2023 roku, gdzieś w bezkresnej otchłani kosmosu, doszło do zderzenia dwóch wyjątkowo masywnych czarnych dziur. Ich kolizja, oznaczona sygnaturą GW231123, została zarejestrowana przez globalną sieć detektorów fal grawitacyjnych LIGO–Virgo–KAGRA. To zdarzenie nie tylko pobiło dotychczasowe rekordy pod względem masy uczestniczących obiektów, ale także postawiło przed astrofizykami nowe wyzwania teoretyczne. W lipcu 2025 roku odkrycie to zostało oficjalnie przedstawione podczas konferencji GR24-Amaldi w Glasgow.
Czym są fale grawitacyjne?
Fale grawitacyjne to nic innego jak zmarszczki w samej tkaninie czasoprzestrzeni – rozchodzące się niczym fale zaburzenia w polu grawitacyjnym. Można je porównać do fal na wodzie, z tą różnicą, że zamiast przemieszczać się po powierzchni cieczy, rozchodzą się przez czasoprzestrzeń. Zostały przewidziane przez Alberta Einsteina w jego ogólnej teorii względności z 1915 roku.
Fale grawitacyjne powstają w wyniku najbardziej gwałtownych i energetycznych procesów we Wszechświecie – takich jak zderzenia czarnych dziur, gwiazd neutronowych czy eksplozje supernowych. Gdy dochodzi do takiego zjawiska, fale te rozchodzą się z prędkością światła, niosąc ze sobą informacje o swoim źródle. Ich wykrycie wymaga niezwykle precyzyjnych instrumentów, zdolnych do rejestrowania mikroskopijnych zmian w długości ramion detektorów, wywołanych przejściem fali.
Kolizja, która nie powinna się wydarzyć
Sygnał GW231123 pochodził od dwóch czarnych dziur, z których jedna miała masę około 100 razy większą niż masa Słońca, a druga około 140 razy większą. Ich połączenie zaowocowało powstaniem „córki” – czarnej dziury o masie około 225 mas Słońca. Co istotne, brakująca masa została przekształcona w energię, która rozeszła się w postaci fal grawitacyjnych.
Poprzedni rekordzista, wykryty w 2021 roku sygnał GW190521, dotyczył podobnej kosmicznej kolizji – w jej wyniku powstała czarna dziura o masie 140 razy większej niż masa Słońca. Najnowsze odkrycie wyraźnie przebiło ten rekord.
– To najbardziej masywna binarna czarna dziura, jaką zaobserwowaliśmy za pomocą fal grawitacyjnych. Jej istnienie stanowi poważne wyzwanie dla naszego zrozumienia formowania się czarnych dziur – podkreśla profesor Mark Hannam z Cardiff University.
Obiekty o takich masach nie powinny – według obecnie obowiązujących modeli ewolucji gwiazd – w ogóle istnieć. Zgodnie z tymi teoriami gwiazdy o bardzo dużej masie ulegają podczas śmierci niestabilnemu kolapsowi, a w końcowej fazie wyrzucają znaczną część swojej materii w potężnym wybuchu supernowej. W efekcie nie powinna po nich pozostać czarna dziura o masie większej niż około 60–65 mas Słońca.
Czym jest luka masowa?
To zjawisko prowadzi do powstania tzw. luki masowej – hipotetycznego zakresu mas, w którym czarne dziury teoretycznie nie powinny występować, lub ich powstawanie jest skrajnie mało prawdopodobne w ramach standardowych modeli ewolucji gwiazd.
Obecnie znane czarne dziury dzieli się na dwie główne kategorie:
- Czarne dziury o masie gwiazdowej (stellar-mass black holes): mają masę od kilku do kilkudziesięciu mas Słońca. Powstają bezpośrednio w wyniku kolapsu masywnych gwiazd.
- Supermasywne czarne dziury (supermassive black holes): ich masa może wynosić od 100 000 do nawet 50 miliardów mas Słońca. Znajdują się w centrach galaktyk, a ich pochodzenie wciąż pozostaje przedmiotem intensywnych badań.
Pomiędzy tymi dwiema kategoriami znajduje się luka, obejmująca czarne dziury o masach od kilkudziesięciu do około stu tysięcy mas Słońca – tzw. pośrednie czarne dziury (intermediate-mass black holes, IMBHs). Astrofizyka wyklucza, by obiekty tej wielkości mogły powstać spontanicznie podczas zapadania się umierającej gwiazdy.
To właśnie w tej luki masowej mieszczą się masy czarnych dziur, które dały początek sygnałowi GW231123.
Niezwykły spin i wyzwania dla modeli teoretycznych
Monstrualna masa czarnych dziur to niejedyny element, który czyni sygnał GW231123 tak interesującym. Dane wskazują, że przed połączeniem co najmniej jedna z czarnych dziur obracała się niezwykle szybko – prawdopodobnie tak szybko, jak tylko pozwalają na to prawa fizyki.
Spin czarnej dziury to jej moment pędu – miara tego, jak szybko obraca się wokół własnej osi. Czarne dziury, podobnie jak gwiazdy, mogą posiadać rotację. W kontekście ogólnej teorii względności Einsteina maksymalna prędkość obrotu jest ograniczona. Gdy czarna dziura osiąga ten teoretyczny limit, nazywana jest czarną dziurą Kerra, a jej horyzont zdarzeń – czyli granica, zza której nic nie może się wydostać – zostaje spłaszczony z powodu szybkiej rotacji.
Wysoki spin czarnych dziur wpływa na kształt emitowanych fal grawitacyjnych, czyniąc sygnał bardziej złożonym i trudniejszym do analizy.
– Czarne dziury wydają się obracać bardzo szybko – blisko limitu określonego przez ogólną teorię względności Einsteina. Sprawia to, że sygnał jest trudny do modelowania i interpretacji. To doskonałe studium przypadku do dalszego rozwoju naszych narzędzi teoretycznych – zauważa dr Charlie Hoy z University of Portsmouth, członek LVK.
Modelowanie sygnałów pochodzących od szybko rotujących czarnych dziur jest niezwykle skomplikowane, ponieważ równania Einsteina stają się trudniejsze do rozwiązania i mniej precyzyjne.
– Czarne dziury w GW231123 wydają się bardzo szybko obracać, a nasze różne modele dają rozbieżne wyniki – tłumaczy prof. Mark Hannam. – Oznacza to, że choć jesteśmy pewni ich masywności, mamy trudność z precyzyjnym oszacowaniem ich dokładnych mas.
LIGO i jego partnerzy – nieustanne rekordy
Obserwatorium fal grawitacyjnych Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) ma długą historię przełomowych odkryć. W 2015 roku jego dwa detektory – zlokalizowane w Livingston (Luizjana) i Hanford (Waszyngton) – dokonały pierwszego w historii bezpośredniego wykrycia fal grawitacyjnych. Wydarzenie to miało miejsce dokładnie sto lat po tym, jak Albert Einstein przewidział istnienie fal grawitacyjnych w swojej ogólnej teorii względności z 1915 roku.
Zarejestrowany wówczas sygnał, oznaczony jako GW150914, był efektem połączenia dwóch czarnych dziur, które utworzyły nową czarną dziurę o masie około 62 mas Słońca.
Od 2015 roku do LIGO dołączyły kolejne detektory: Virgo we Włoszech oraz Kamioka Gravitational Wave Detector (KAGRA) w Japonii. Wspólnie tworzą dziś globalną sieć badawczą LIGO–Virgo–KAGRA (LVK). Efektem tej międzynarodowej współpracy jest wykrycie ponad 300 zderzeń czarnych dziur.
Granice technologii i przyszłe wyzwania
Sygnał GW231123, z jego wysoką masą i szybkim spinem czarnych dziur znajdujących się na kursie kolizyjnym, przesunął granice technologii detekcji fal grawitacyjnych. Nie brakuje jednak głosów, że przy okazji naruszył także granice obecnych modeli teoretycznych.
– To wydarzenie zmusza nas do przekraczania granic obecnych możliwości analizy danych – zauważa dr Sophie Bini, badaczka z Caltech. – To doskonały przykład tego, ile możemy się nauczyć z astronomii fal grawitacyjnych – i jak wiele jeszcze przed nami.
Pełne przeanalizowanie informacji kryjących się w sygnale GW231123 będzie wymagało dalszego udoskonalenia metod analizy i interpretacji danych.
– Rozwikłanie tego złożonego wzorca sygnału i wszystkich jego implikacji zajmie społeczności lata – przewiduje dr Gregorio Carullo z University of Birmingham, członek zespołu LVK. – Mimo że najbardziej prawdopodobnym wyjaśnieniem pozostaje połączenie czarnych dziur, bardziej złożone scenariusze mogą być kluczem do rozszyfrowania jego nieoczekiwanych cech.
Konferencja i przyszłość badań
Odkrycie GW231123 zostało zaprezentowane 14 lipca 2025 roku podczas 24. Międzynarodowej Konferencji Ogólnej Teorii Względności i Grawitacji (GR24) oraz 16. Konferencji Edoardo Amaldiego na temat fal grawitacyjnych, które odbyły się w Glasgow, w Szkocji. Skalibrowane dane wykorzystane do wykrycia i analizy sygnału zostaną udostępnione innym badaczom za pośrednictwem platformy Gravitational Wave Open Science Center (GWOSC), co umożliwi dalsze badania i niezależną weryfikację.
To przełomowe odkrycie nie tylko rzuca nowe światło na najbardziej ekstremalne zjawiska we Wszechświecie, ale również zmusza naukowców do przemyślenia i udoskonalenia fundamentalnych modeli astrofizycznych. W miarę jak technologia detekcji fal grawitacyjnych będzie się rozwijać, można oczekiwać kolejnych rewolucyjnych obserwacji, które przybliżą nas do zrozumienia najgłębszych tajemnic kosmosu.
źródła: space.com, livescience.com, sciencedaily.com,
Dodaj komentarz