W skrócie
- Badania astrofizyków z MIT wskazują, że około 14 procent łączących się czarnych dziur we wszechświecie powstaje w wyniku wcześniejszych kolizji mniejszych obiektów tego typu.
- Czarne dziury powstałe w procesie hierarchicznego łączenia wyróżniają się wysoką prędkością obrotową oraz wywołują charakterystyczne kołysanie płaszczyzny orbity tuż przed zderzeniem.
- Odkrycie procesu łączenia się mniejszych obiektów wyjaśnia istnienie czarnych dziur o "zakazanej" masie przekraczającej 45 mas Słońca, których powstania nie tłumaczy standardowa teoria ewolucji gwiazd.
- Więcej podobnych informacji znajdziesz na stronie głównej serwisu, otwiera się w nowym oknie
Kosmiczny recykling. Czarna dziura z drugiej ręki
Tradycyjny scenariusz narodzin czarnej dziury zna niemal każdy interesujący się kosmosem. Potężna gwiazda kończy swój żywot w gwałtownym wybuchu supernowej, a jej zapadnięte jądro tworzy niezwykle gęsty obiekt. Wokół jego centralnego punktu (osobliwości) tworzy się granica bez powrotu - horyzont zdarzeń. Resztki materii z rozpadającej się gwiazdy, które nie zostały odrzucone przez wybuch supernowej, zaczynają krążyć wokół nowej czarnej dziury. Pod wpływem potężnej grawitacji materia ta tworzy wirujący, rozgrzany do milionów stopni dysk akrecyjny.
Silne pole magnetyczne wyrzuca część opadającej materii z biegunów czarnej dziury w postaci strumieni plazmy pędzących niemal z prędkością światła. Procesowi temu towarzyszy rozbłysk gamma - najjaśniejsza eksplozja we wszechświecie. Następnie, po pożarciu resztek gwiazdy i oczyszczeniu okolicy, czarna dziura cichnie. Staje się niewidocznym, niemal pozbawionym rotacji obiektem, który samotnie przemierza kosmos - chyba że grawitacja wepchnie ją w ramiona innej czarnej dziury.
Powyższy scenariusz opisuje powstanie czarnych dziur pierwszej generacji. Najnowsze analizy danych z detektorów fal grawitacyjnych pokazują jednak, że wszechświat ma też inny sposób na masową produkcję tych tajemniczych obiektów. Część z nich to w rzeczywistości czarne dziury "z drugiej ręki", które powstały ze zderzenia innych, mniejszych czarnych dziur. Naukowcy z MIT odkryli, że ten alternatywny proces, określany jako "łączenie hierarchiczne", jest znacznie powszechniejszy, niż wcześniej sądzono. Z ich analiz wynika, że około 14 proc. łączących się czarnych dziur we wszechświecie ma już za sobą wcześniejszą kolizję.
Zobacz również:
"To nie jest ich pierwsze rodeo"
Badacze z MIT przeanalizowali katalog LIGO-Virgo-KAGRA Gravitational Wave Transient Catalog 4.0 (GWTC-4.0), zwierający dane zebrane podczas czwartej kampanii obserwacyjnej. Zamiast badać każdy sygnał osobno, zespół stworzył model poszukujący charakterystycznych wzorów w całej bazie 155 par podwójnych czarnych dziur.
"Odkrywamy, że dla niektórych z tych łączących się czarnych dziur to nie jest ich pierwsze rodeo" - wyjaśnia główna autorka badania, Cailin Plunkett, doktorantka na Wydziale Fizyki MIT. "Ogólnie we wszechświecie czarne dziury łączą się przez cały czas. Kwestia tego, jak częstą łączą się one powtórnie, była niepewna. Teraz widzimy względnie spójny obraz, w którym istotny procent czarnych dziur pochodzi właśnie z tej powtarzalnej ścieżki".
Publikacja na ten temat ukazała się 6 czerwca 2026 r. w czasopiśmie "Physical Review Letters", a jej współautorami są Salvatore Vitale z MIT, Thomas Callister z Williams College oraz Michael Zevin z Adler Planetarium i Northwestern University.
Jak rozpoznać czarną dziurę drugiej generacji?
Jak odróżnić czarną dziurę drugiej generacji od tej, która powstała w wyniku wybuchu supernowej? Dla identyfikacji tych pochodzących z "recyklingu" pomocna okazuje się ich masa oraz prędkość obrotowa (tzw. spin). Kiedy umiera samotna gwiazda, powstała czarna dziura traci większość momentu pędu i rotuje bardzo wolno. Zupełnie inaczej dzieje się, gdy zderzają się dwa takie obiekty. "Wirowałyby one bardzo szybko, z prędkością około 70 proc. swojego maksymalnego możliwego spinu" - tłumaczy prof. Salvatore Vitale z MIT.
Gdy taka szybko wirująca i masywna czarna dziura połączy się z kolejną, "zwykłą" czarną dziurą, powstaje asymetryczna para. Taki nierówny układ wywołuje charakterystyczne kołysanie całej płaszczyzny orbity (tzw. precesję, czyli zmianę osi obrotu wirującego ciała - jak w bączku) tuż przed ostatecznym zderzeniem. To właśnie te specyficzne "wahania" w sygnałach fal grawitacyjnych pozwoliły astrofizykom wyselekcjonować obiekty powstałe z hierarchicznego łączenia.
Do takich gwałtownych procesów dochodzi najczęściej w gęstych gromadach gwiazd. "Wokół siebie może śmigać cała masa gwiazd, a gdy te najpotężniejsze wybuchają, zamieniają się w czarne dziury. Czarne dziury krążą dalej, aż w końcu łapią się nawzajem w pułapkę grawitacyjną i zderzają" - tłumaczy Cailin Plunkett. "Ten proces może potencjalnie powtarzać się ad infinitum ze względu na fakt, że jest tona gwiazd i czarnych dziur w tym naprawdę gęstym środowisku". Innymi słowy hierarchiczność czarnych dziur może teoretycznie ciągnąć się w nieskończoność.
Odkrycie rozwiązuje zagadkę "zakazanych" obiektów
Odkrycie to pomaga rozwiązać jedną z największych zagadek współczesnej astrofizyki - skąd biorą się czarne dziury o masach, które teoretycznie nie powinny istnieć. Standardowa teoria ewolucji gwiazd zakłada, że supernowe pochodzące z bardzo masywnych gwiazd są tak gwałtowne, iż rozrywają obiekt całkowicie, nie pozostawiając po sobie żadnej czarnej dziury w przedziale powyżej około 45 mas Słońca (tzw. przerwa spowodowana niestabilnością kreacji par).
Detektory fal grawitacyjnych tymczasem regularnie rejestrują obiekty przekraczające tę "zakazaną" granicę. Nowe analizy potwierdzają istnienie wyraźnej granicy na poziomie około 46 mas Słońca, powyżej której populacja czarnych dziur składa się niemal wyłącznie z obiektów powstałych w wyniku wcześniejszych zderzeń i fuzji.
"Jednym z powodów, dla którego ten przedział '40-i-więcej' jest interesujący, jest to, że teoria ewolucji gwiazd przewiduje, że nie powinno być możliwości formowania czarnych dziur w tym zakresie mas z samej supernowej. Sądzimy, że supernowe z naprawdę masywnych gwiazd są tak gwałtowne, że nie pozostawiają w ogóle czarnych dziur powyżej około 45 mas Słońca. Mimo to widzieliśmy czarne dziury, które są tak masywne. I pytanie brzmi - skąd się wzięły?" - dodaje pierwsza autorka badania. Dzięki modelowi naukowców z MIT odpowiedź staje się jasna - te monstrualne obiekty to efekt wielokrotnych, kosmicznych zderzeń.
Źródła:
- Plunkett C., Vitale S., Callister T., Zevin M. Signatures of a Subpopulation of Hierarchical Mergers in the GWTC-4 Gravitational-Wave Dataset. Phys. Rev. Lett. 137, 021404 (2026). DOI: 10.1103/n6p4-ftgq
- Chu J. Many black holes had past lives, new research shows. MIT News (2026).
