Záhada zrážky obrov - zlúčenie; nadváha; Čierne diery si protirečia
Fúzia čiernych dier s „nadváhou“ odporuje súčasným modelom
Záznam a logické riešenie súčasne: Astronómovia zaznamenali neobvyklú a zatiaľ ojedinelú udalosť gravitačnej vlny. Pretože tak počiatočné objekty tejto fúzie, ako aj výsledná čierna diera sú ťažšie ako čokoľvek predtým pozorované - a ťažšie, ako umožňujú súčasné modely. So 142 slnečnými hmotami mohol byť objekt vytvorený počas zrážky tiež prvou jasne dokázanou medziľahlou čiernou dierou.
Astronómovia už sledovali desiatky fúzií čiernych dier pomocou gravitačných vĺn vrátane kolízií medzi veľmi nerovnými partnermi, ako sú čierne diery rôznych veľkostí alebo čierna diera s neutrónovou hviezdou. Vo väčšine prípadov však bola hmotnosť zahrnutých objektov rovnaká ako v prípade hviezdnych čiernych dier. Tieto singularity vytvorené supernovami sa môžu podľa súčasnej doktríny zjednotiť v maximálne 65 slnečných masách.
GW190521: Bang namiesto Tschirp
Teraz však detektory observatórií LIGO a Panna zachytili signál gravitačnej vlny, ktorý, zdá sa, porušuje všetky pravidlá. Signál GW190521 detekovaný 21. mája 2019 bol dlhý iba asi desatinu sekundy a obsahoval štyri oscilačné cykly - to zodpovedá posledným dvom obežným dráham dvoch čiernych dier pred ich zlúčením.
Nezvyčajná však bola vysoká intenzita a nízka frekvencia vibrácií, ktoré naznačovali splývanie dvoch obzvlášť masívnych objektov. „Signál nebol tak cvrlikavý, ako ho zvyčajne detekujeme, ako skutočný„ tresk “- je to najmasovejší signál, aký kedy LIGO a Panna kedy pozorovali,“ hovorí Nelson Christensen z francúzskeho národného výskumného centra CNRS.
Masívnejšie ako čokoľvek predtým
Z vlastností GW190521 vedci usudzujú, že tieto gravitačné vlny museli pochádzať zo spojenia dvoch obzvlášť masívnych čiernych dier. „Väčšia z nich vážila okolo 85 slnečných hmôt, tá menšia sa blížila k 66 slnečným hmotám,“ uvádza spolupráca LIGO. „Obe čierne diery sú preto oveľa masívnejšie ako všetky predtým detekované Pannami a LIGO.“ Produktom tejto fúzie je tiež obrovský gigant: výsledná čierna diera má okolo 142 slnečných hmôt.
GW190521 je teda zlúčením s najvyššou celkovou hmotou, aká bola kedy pozorovaná. Energia uvoľnená pri tejto zrážke bola zodpovedajúcim spôsobom veľká: gravitačné vlny mali energetický ekvivalent siedmich hmotností Slnka. Vďaka tomu boli dostatočne „hlasní“, aby sa k nám dostali aj z obrovskej vzdialenosti. K zlúčeniu dvoch čiernych dier došlo asi pred siedmimi miliardami rokov - vtedy bol vesmír o polovicu starší ako dnes.
Prvý dôkaz o prechodnej čiernej diere?
Udalosť GW190521 spôsobuje, že fyzici potrebujú vysvetlenie v niekoľkých ohľadoch. Pretože masa jeho aktérov je rekordná, dodnes jedinečná a odporuje zaužívaným teóriám. „Táto udalosť vyvoláva viac otázok ako odpovedá,“ hovorí člen LIGO Alan Weinstein z Kalifornského technologického inštitútu. „Z pohľadu fyziky je to veľmi vzrušujúca vec.“
Prvou hádankou je čierna diera, ktorá vznikla pri zlúčení: So 142 slnečnými hmotami leží v medzipriestore medzi hviezdnymi čiernymi dierami a supermasívnymi čiernymi dierami jadier galaxie. Astronómovia už dlho tušili, že musia existovať prechodné čierne diery, ktoré vyplnia túto medzeru 100 až 100 000 slnečných hmôt. Zatiaľ však existujú kandidáti na túto triedu - stále však neexistovali jasné dôkazy.
„Teraz máme dôkazy o tom, že tieto prechodné čierne diery existujú,“ hovorí Christopher Berry z Northwestern University v Evanstone.
Ťažšie, ako to umožňuje teória
Druhú hádanku predstavuje jeden z dvoch predchodcov tejto prechodnej čiernej diery: Pri 85 slnečných hmotách sa nachádza v hmotnostnom rozmedzí, v ktorom skutočne nemôžu byť žiadne hviezdne čierne diery. Podľa súčasných modelov produkujú supernovy čierne diery s maximom 65 solárnych hmôt. Na druhej strane, ak je počiatočná hviezda ťažšia ako 200 slnečných hmôt, nevybuchne, ale zrúti sa priamo k čiernej diere - táto má najmenej 120 slnečných hmôt.
To znamená: v rozmedzí 65 až 120 slnečných hmôt existuje medzera, v ktorej by nemali byť žiadne čierne diery - astrofyzici to označujú ako medzeru nestability párov. Ale práve v tejto medzere leží ťažší z dvoch predchodcovských objektov GW190521. "Skutočnosť, že vidíme čiernu dieru uprostred tejto masovej medzery, prinúti mnohých astrofyzikov zaujímať, ako k takej čiernej diere došlo," hovorí Christensen.
Odkaz na hierarchické zlučovanie?
A odpoveď? „GW190521 naznačuje, že hviezdy môžu vytvárať čierne diery, ktoré sú také ťažké, alebo že niektoré z čiernych dier pozorovaných organizáciami LIGO a Panna boli tvorené iným spôsobom - možno ako produkt predchádzajúcej fúzie,“ vysvetľuje spolupráca LIGO. GW190521 by potom bol príkladom hierarchických fúzií, ktoré sa doteraz iba teoreticky postulovali - kolízie čiernych dier, ktoré následne tiež vznikli zo fúzií.
Takéto série čoraz masívnejších fúzií by mohli nastať tam, kde veľa hviezd blízko seba dosiahne koniec svojho životného cyklu a stane sa z nich čierna diera prostredníctvom supernov - napríklad vo hviezdokopách alebo v hustých centrách galaxií. Tam by gravitácia supermasívnej čiernej diery mohla tieto objekty kvázi držať v zajatí, a tak vyprovokovať sériové fúzie.
Zatiaľ nie je jasné, ako došlo k udalosti gravitačnej vlny GW19052 a ako k jej aktérom. Otázka, či sú čierne diery tejto hmoty kozmickými odľahlými hodnotami alebo iba predstavujú ťažký koniec predtým známeho hmotnostného spektra, nebola doteraz objasnená. „Dúfajme, že keď budeme analyzovať všetko spájanie čiernych dier, ktoré pozorovali LIGO a Panna pri svojom treťom pozorovacom behu, dozvieme sa viac,“ hovorí Karsten Danzmann z Max Planck Institute for Gravitational Physics. (Fyzické prehľadové listy, Astrofyzikálne denníky)
Zdroj: LIGO Collaboration and Virgo Collaboration, Max Planck Institute for Gravitational Physics