Az óriások ütközésének rejtélye - összeolvad; túlsúly; A fekete lyukak ellentmondanak
A "túlsúlyos" fekete lyukak összeolvadása ellentmond a jelenlegi modelleknek
Rekord és rejtvény egyszerre: a csillagászok szokatlan és eddig egyedülálló gravitációs hullám eseményt észleltek. Mivel mind az egyesülés kiinduló tárgyai, mind az ebből fakadó fekete lyuk nehezebb, mint bármi, amit korábban megfigyeltünk - és nehezebb, mint a jelenlegi modellek megengedik. 142 naptömeg esetén az ütközés során létrejött tárgy az első egyértelműen bizonyított köztes fekete lyuk is lehet.
A csillagászok már több tucat fekete lyuk egyesülését követték nyomon gravitációs hullámokon keresztül, ideértve az olyan nagyon egyenlőtlen partnerek ütközését is, mint például a különböző méretű fekete lyukak vagy a fekete lyuk egy neutroncsillaggal. A legtöbb esetben azonban az érintett tárgyak tömege megegyezett a csillag fekete lyukakéval. Ezek a szupernóvák által létrehozott szingularitások a jelenlegi tan szerint maximum 65 naptömegben egyesülhetnek.
GW190521: Bang Tschirp helyett
De most a LIGO és a Szűz csillagvizsgálói detektorai elfogtak egy gravitációs hullámjelet, amely úgy tűnik, hogy minden szabályt megszeg. A 2019. május 21-én észlelt GW190521 jel csak tizedmásodperc hosszú volt, és négy oszcillációs ciklust tartalmazott - ez megfelel két fekete lyuk utolsó két pályájának, mielőtt összeolvadtak volna.
Ami azonban szokatlan volt, az a rezgések nagy intenzitása és alacsony frekvenciája volt, ami két különösen masszív objektum összeolvadását jelezte. "A jel kevésbé volt csicsergő, mint ahogyan mi általában észleljük, mint egy igazi" durranás "- ez a legnagyobb tömegű jel, amelyet a LIGO és a Szűz valaha is megfigyelt" - mondja Nelson Christensen, a CNRS francia nemzeti kutatóközpont.
Hatalmasabb, mint bármi más
A GW190521 jellemzői alapján a kutatók arra a következtetésre jutottak, hogy ezek a gravitációs hullámok két, különösen hatalmas fekete lyuk összeolvadásából származhatnak. "A nagyobb súlya körülbelül 85 naptömeg, a kisebb pedig közelebb volt a 66 naptömeghez" - számol be a LIGO együttműködéséről. „Mindkét fekete lyuk tehát sokkal nagyobb, mint a Szűz és a LIGO által korábban észlelteké.” Ennek az egyesülésnek a terméke is óriási óriás: a keletkező fekete lyuknak körülbelül 142 naptömege van.
Így a GW190521 az összevonás a valaha megfigyelt legnagyobb össztömeggel. Az ütközés során felszabaduló energia ennek megfelelően nagy volt: a gravitációs hullámok energiaértéke hét naptömeg volt. Ez elég "hangossá" tette őket ahhoz, hogy még hatalmas távolságból is eljussanak hozzánk. A két fekete lyuk összeolvadása körülbelül hétmilliárd évvel ezelőtt történt - akkor az univerzum fele annyi idős volt, mint manapság.
Az első bizonyíték a köztes fekete lyukra?
A GW190521 esemény miatt a fizikusoknak több szempontból is magyarázatra van szükségük. Mivel szereplőinek tömege rekordméretű, eddig egyedülálló és ellentmond a közös elméleteknek. "Ez az esemény több kérdést vet fel, mint amennyit megválaszol" - mondja Alan Weinstein, a LIGO tagja, a Kaliforniai Műszaki Intézet munkatársa. "Fizikai szempontból ez nagyon izgalmas dolog."
Az első rejtvény az egyesülés során kialakult fekete lyuk: 142 naptömeggel a csillag fekete lyukak és a galaxis magjainak szupermasszív fekete lyukai közötti köztes területen fekszik. A csillagászok már régóta gyanítják, hogy köztes fekete lyukaknak kell kitölteniük ezt a 100–100 000 naptömegű rést. De eddig van néhány jelölt ebbe az osztályba - de még mindig nem voltak egyértelmű bizonyítékok.
"Most bizonyítékaink vannak arra, hogy ezek a köztes fekete lyukak léteznek" - mondja Christopher Berry, az Evanstoni Északnyugati Egyetem munkatársa.
Nehezebb, mint az elmélet megengedi
A második találós kérdést ennek a köztes fekete lyuknak az egyik előfutára teszi ki: 85 naptömegnél olyan tömegtartományban van, amelyben valójában nem lehetnek csillag fekete lyukak. A jelenlegi modellek szerint a szupernóvák legfeljebb 65 naptömegű fekete lyukakat eredményeznek. Másrészt, ha egy kezdő csillag súlyosabb, mint 200 naptömeg, akkor nem robban fel, hanem közvetlenül a fekete lyukra omlik - ennek legalább 120 naptömege van.
Ez azt jelenti: a 65-120 naptömeg tartományban van egy rés, amelyben nem szabad fekete lyukakat találni - az asztrofizikusok ezt páros instabilitási résnek nevezik. De éppen ebben a résben fekszik a GW190521 két elődje közül a legnehezebb. "Az a tény, hogy fekete lyukat látunk ennek a tömeges résnek a közepén, sok asztrofizikus kérdését fogja felvetni, hogy miként jöhetett létre egy ilyen fekete lyuk" - mondja Christensen.
Hivatkozás hierarchikus összevonásra?
És a válasz? "A GW190521 azt sugallja, hogy a csillagok vagy olyan súlyos fekete lyukakat hozhatnak létre, vagy hogy a LIGO és a Szűz által megfigyelt fekete lyukak egy része más módon jött létre - talán egy korábbi egyesülés eredményeként" - magyarázza a LIGO együttműködés. Akkor a GW190521 lenne a példa a hierarchikus egyesülésekre, amelyeket eddig csak elméletileg feltételeztek - fekete lyukak ütközései, amelyek viszont szintén egyesülések következményei.
Ilyen, egyre masszívabb összefonódások sorozata fordulhat elő, ahol sok egymáshoz közel lévő csillag elérheti életciklusának végét, és szupernóvákon keresztül fekete lyukakká válik - például csillagcsomókban vagy a galaxisok sűrű központjában. A szupermasszív fekete lyuk gravitációja kvázi fogva tarthatja ezeket az objektumokat, és ezáltal provokálhatja a sorozat egyesüléseit.
Egyelőre nem világos, hogy a GW19052 gravitációs hullám esemény és annak szereplői hogyan jöttek létre. Még nem tisztázott az a kérdés, hogy az ilyen tömegű fekete lyukak kozmikus külsők-e, vagy csak a korábban ismert tömegspektrum nehéz végét jelentik-e. "Remélhetőleg, amikor elemeztük a fekete lyukak összesülését, amelyet a LIGO és a Szűz megfigyelt a harmadik megfigyelés során, többet fogunk tudni." - mondja Karsten Danzmann, a Max Planck Gravitációs Fizikai Intézet munkatársa. (Physical Review Letters, Astrophysical Journal Letters)
Forrás: LIGO és Szűz Együttműködés, Max Planck Gravitációs Fizikai Intézet