Az eddigi legnagyobb tömegű fekete lyukak összeolvadása fejtörést okoz a csillagászoknak
A középsúlyos fekete lyukak összeolvadása gravitációs hullámokat keltett, amelyeket a Földön észleltek.
Deborah Ferguson, Karan Jani, Deirdre Shoemaker, Pablo Laguna, Georgia Tech, MAYA Collaboration
Távol az űr mélyén két fekete lyuk spirálisan egymás felé tart és összeolvad. Ennek a haláltáncnak az erőteljes gravitációs hullámai végigszáguldanak a kozmoszon, amíg hullámaik el nem érik a Föld három óriási detektorát: kettőt az amerikai LIGO (Laser Interferometer Gravitációs Hullám Obszervatórium) és az európai Virgo detektorét Olaszországban.
A detektorok az elmúlt 5 évben tucatnyi ilyen kataklizmát érzékeltek, de a 2019. május 21-i más volt. Nemcsak a valaha látott legerősebb és legtávolabbi összeolvadás volt, hanem a keletkezett fekete lyuk is a régóta keresett középsúlyos fekete lyukak egy osztályába tartozik, jelentették ma a LIGO-Virgo kollaboráció tagjai két új tanulmányban. Rejtélyes módon azonban az összeolvadt két fekete lyuk nehezebb a vártnál: Tömegük egy olyan résbe esik, amelyben az elméletalkotók szerint lehetetlen fekete lyukat létrehozni az összeomló csillag szokásos útján.
A csillagosztályú fekete lyukak általában akkor keletkeznek, amikor egy nagy csillag kifogy a nukleáris üzemanyagából, és a fény és hő kavargó motorja leáll. A kifelé irányuló nyomás nélkül a csillag külső rétegei a gravitáció hatására összeomlanak, ami egy kolosszális szupernóvát vált ki, és egy fekete lyukat hagy maga után. A legnagyobb csillagok esetében azonban az összeomlás még ennél is katasztrofálisabb, olyan elszabadult termonukleáris robbanást okozva, amely elpusztítja a csillagot, és semmit sem hagy maga után. Elméletileg ez azt jelenti, hogy a fekete lyukak tömegének körülbelül 65 naptömegnél kell lennie egy határértéknek.
2019 májusáig a LIGO és a Virgo által észlelt fekete lyukak összeolvadásai nagyrészt alátámasztották ezt a tömeghatárt. Aztán jött a GW190521 néven ismert esemény, amely mindössze 1 tizedmásodpercig tartott. Nem a szokásos algoritmusok vették észre, amelyek a bináris összeolvadásokat vizsgálják (amelyek általában többször hosszabb ideig tartanak), hanem egy külön csővezeték vette észre, amely “olyan dolgokat keres, amelyek bumm” – mondja Nelson Christensen, a nizzai Cote d’Azur Obszervatórium fizikusa, a LIGO-Virgo csapat tagja.
Bár a jel rövid volt – mindössze négy fel-le hullámciklus -, a csapat mégis képes volt elemezni, elemezni az amplitúdóját, az alakját és azt, hogyan változott a frekvenciája az idő múlásával. “Nagyon nehéz volt értelmezni” – mondja Alessandra Buonanno, a csapat tagja, a Max Planck Gravitációs Fizikai Intézet (Albert Einstein Intézet) igazgatója. “Sok időt töltöttünk azzal, hogy meggyőzzük magunkat arról, hogy bízzunk abban, amit találtunk.”
A ma megjelent két tanulmányban – az egyik a Physical Review Lettersben írja le az észlelést, a másik pedig a The Astrophysical Journal Lettersben értelmezi az adatokat – a közös LIGO-Virgo csapat szerint az adatokra legjobban illeszkedő modell szerint két fekete lyuk – amelyek súlya körülbelül 66 és 85 naptömeg – egy 142 naptömegű fekete lyukká egyesül. A fennmaradó nyolc naptömeg gravitációs hullámenergiává alakult volna át. “Egészen lényegesen nagyobb volt, mint bármi, amit eddig láttunk” – mondja Christensen.
A 142 naptömegű fekete lyuk azonnal egy külön osztályba sorolja. Míg a csillagászok régóta ismerik a kisebb fekete lyukakat és a galaktikus központokban lévő, több millió vagy milliárd Napból álló óriásokat, addig a közepes méretűek – 100 és 100 000 naptömeg közöttiek – feltűnően hiányoztak. A csillagászok szerint ezekre a szupermasszív fekete lyukak építőköveként van szükség, és létezésükre közvetett bizonyítékok is vannak, de ez lehet az eddigi legmeggyőzőbb észlelés, bár éppen a tartomány alján. “Ez csak egy utalás arra, hogy van valami ebben a tömegtartományban” – mondja Avi Loeb asztrofizikus a Harvard Egyetemről, aki nem vett részt a tanulmányban.
Az asztrofizikusok számára talán még érdekesebb a két összeolvadó fekete lyuk eredete. A könnyebbik éppen a tömegkülönbség csúcsán van, így akár egyetlen óriáscsillagból is kialakulhatott. De 85 naptömeget nehéz megmagyarázni. “Izgalmas, mert váratlan volt” – mondja Loeb. “A tömeghézag robusztus volt, de most nyitva áll az ajtó új modellek előtt.”
A csapat értelmező tanulmányában számos lehetséges magyarázatot vizsgált. A fekete lyukak lehetnek őskövületek, amelyek már a korai világegyetem örvénylése óta ott lógtak, mielőtt az első csillagok megszülettek volna. Vagy kis fekete lyukak lehettek, amelyek összeolvadását a gravitációs lencsézés felnagyította. Vagy talán – még egzotikusabb módon – a hullámok kozmikus húrokból, az ősrobbanásból visszamaradt vákuum feltételezett hibáiból származnak. De egyik magyarázat sem illeszkedett olyan jól az adatokhoz, mint egy összeolvadó nehézsúlyú csillagpár. Így a csapat a “jó öreg Occam borotvájára” hagyatkozott, mondja Christensen: Valószínűleg a legegyszerűbb magyarázat a helyes.
Loeb úgy véli, hogy a nehézsúlyúak valószínűleg “többgenerációsak”, amikor a sűrű csillagkeletkezési területeken lévő kisebb fekete lyukak többször egyesülnek, hogy a határérték feletti tömeget hozzanak létre. A galaxisokat gyakran sűrű csillaghalmazok, úgynevezett gömbhalmazok veszik körül. Ezek több százezer ősi csillagot tartalmazhatnak: ideális táptalajok a fekete lyukak számára. Ahogy a fekete lyukak a gömbhalmaz középpontja felé süllyednek, nagyobb valószínűséggel egyesülnek másokkal. “Ezek a környezetek speciálisak, ezért csak most találjuk meg őket” – mondja, miután a LIGO és a Virgo több mint 60 összeolvadást érzékelt.
De a halmazok valószínűleg különböző tömegű fekete lyukakat tartalmaznak, és az egyoldalú összeolvadások aszimmetrikus robbanásokat eredményeznek, amelyek akár másodpercenként 1000 kilométeres sebességgel is kilökhetik az új fekete lyukat a halmazból. Ahhoz, hogy a halmazok a tömegkülönbségben lévő fekete lyukak dajkái legyenek, a visszapattanásoknak alacsonyaknak kell lenniük, és a halmazoknak elég masszívnak kell lenniük ahhoz, hogy megakadályozzák a szökésüket, mondja Loeb.
A LIGO-t és a Virgót korszerűsítik, és 2022-ben megnövelt érzékenységgel újraindítják a megfigyeléseket, így a kozmosz háromszor akkora részét tudják átvizsgálni. Ha több ilyen nehézsúlyú összeolvadást találunk, “az ilyen csillagbölcsődék asztrofizikájáról fogunk tanulni” – mondja Loeb. “Minél több eseményt ismerünk meg, annál több nyomot kapunk az eredetükről.”