Cea mai masivă fuziune de găuri negre de până acum îi nedumerește pe astronomi
Fuziunea unor găuri negre de greutate medie a produs unde gravitaționale care au fost detectate pe Pământ.
Deborah Ferguson, Karan Jani, Deirdre Shoemaker, Pablo Laguna, Georgia Tech, MAYA Collaboration
Departe, în adâncurile spațiului, două găuri negre se deplasează în spirală una spre cealaltă și fuzionează. Puternicele unde gravitaționale din acest dans al morții aleargă prin cosmos până când undele lor ajung la trei detectoare gigantice de pe Pământ: două cu Observatorul de unde gravitaționale Laser Interferometru (LIGO) cu sediul în SUA și detectorul european Virgo din Italia.
Detectoarele au sesizat zeci de astfel de cataclisme în ultimii 5 ani, dar cel din 21 mai 2019 a fost diferit. Nu numai că a fost cea mai puternică și mai îndepărtată fuziune observată vreodată, dar gaura neagră rezultată aparține, de asemenea, unei clase de găuri negre de greutate medie, mult timp căutate, raportează astăzi membrii colaborării LIGO-Virgo în două noi studii. În mod ciudat, însă, cele două găuri negre care au fuzionat sunt mai grele decât se așteptau: Masele lor se încadrează într-un interval în care teoreticienii cred că este imposibil să se creeze o gaură neagră pe calea obișnuită a unei stele care se prăbușește.
Găurile negre de clasă stelară sunt create de obicei atunci când o stea mare își termină combustibilul nuclear și motorul de lumină și căldură se oprește. Fără acea presiune exterioară, straturile exterioare ale stelei se prăbușesc sub efectul gravitației, declanșând o supernovă colosală și lăsând în urmă o gaură neagră. Dar în cazul celor mai mari stele, colapsul este și mai catastrofal, provocând o explozie termonucleară care distruge steaua și nu lasă nimic în urmă. Teoretic, acest lucru înseamnă că ar trebui să existe o limită de masă a găurilor negre la aproximativ 65 de mase solare.
Până în mai 2019, fuziunile de găuri negre detectate de LIGO și Virgo au susținut în mare măsură această limită de masă. Apoi a apărut evenimentul cunoscut sub numele de GW190521, care a durat doar o zecime de secundă. Nu a fost reperat de algoritmii obișnuiți care scanează fuziunile binare (care durează de obicei de câteva ori mai mult timp), ci a fost detectat de o conductă separată care caută „lucruri care fac bang”, spune Nelson Christensen, fizician la Observatorul Cote d’Azur din Nisa și membru al echipei LIGO-Virgo.
Deși semnalul a fost scurt – doar patru cicluri de valuri în sus și în jos – echipa a putut totuși să-l analizeze, analizându-i amplitudinea, forma și modul în care frecvența sa s-a schimbat în timp. „A fost foarte dificil de interpretat”, spune Alessandra Buonanno, membru al echipei, director al Institutului Max Planck pentru Fizică Gravitațională (Institutul Albert Einstein). „Ne-am petrecut mult timp convingându-ne să avem încredere în ceea ce am găsit.”
În două articole publicate astăzi – unul care descrie detecția în Physical Review Letters și unul care interpretează datele în The Astrophysical Journal Letters – echipa comună LIGO-Virgo spune că modelul care se potrivește cel mai bine cu datele este cel a două găuri negre – cântărind aproximativ 66 și 85 de mase solare – care se contopesc într-o gaură neagră de 142 de sori. Cele opt mase solare rămase ar fi fost transformate în energie de unde gravitaționale. „A fost destul de substanțial mai mare decât orice am mai văzut”, spune Christensen.
O gaură neagră cu 142 de mase solare o plasează instantaneu într-o clasă aparte. În timp ce astronomii știu de mult timp despre găuri negre mai mici și despre giganții din centrele galactice formate din milioane sau miliarde de sori, cele de dimensiuni medii – de la 100 la 100.000 de mase solare – au fost în mod evident absente. Astronomii cred că acestea sunt necesare ca elemente de construcție pentru găurile negre supermasive și există dovezi indirecte ale existenței lor, dar aceasta ar putea fi cea mai convingătoare observație de până acum, deși chiar în partea de jos a intervalului. „Acesta este doar un indiciu că există ceva în acest interval de mase”, spune astrofizicianul Avi Loeb de la Universitatea Harvard, care nu a fost implicat în studiu.
Poate mai interesante pentru astrofizicieni sunt originile celor două găuri negre care fuzionează. Cea mai ușoară se află chiar la limita decalajului de masă, așa că s-ar putea foarte bine să se fi format dintr-o singură stea gargantuescă. Dar 85 de mase solare este greu de explicat. „Este interesant pentru că a fost ceva neașteptat”, spune Loeb. „Diferența de masă a fost robustă, dar acum ușa este deschisă pentru noi modele.”
În lucrarea lor de interpretare, echipa a analizat multe explicații posibile. Găurile negre ar putea fi primordiale, care au rămas în preajmă încă din vârtejul universului timpuriu, înainte de nașterea primelor stele. Sau ar fi putut fi găuri negre mici, cu o fuziune care a fost amplificată de lentila gravitațională. Sau poate – mai exotic – undele au provenit de la corzi cosmice, defecte ipotetice în vidul rămas de la big bang. Dar niciuna dintre aceste explicații nu se potrivea cu datele la fel de bine ca și o pereche de stele de mare greutate care fuzionează. Așadar, echipa a apelat la „vechea și bătrâna brici a lui Occam”, spune Christensen: Cea mai simplă explicație este probabil corectă.
Loeb crede că aceste găuri grele sunt probabil „multigeneraționale”, în care găurile negre mai mici din zonele dense de formare a stelelor fuzionează de mai multe ori pentru a produce mase mai mari decât limita de tăiere. Galaxiile sunt adesea înconjurate de aglomerări dense de stele numite roiuri globulare. Acestea pot conține sute de mii de stele vechi: terenuri ideale de reproducere pentru găurile negre. Pe măsură ce găurile negre se scufundă spre centrul clusterului globular, este mai probabil ca acestea să fuzioneze cu altele. „Aceste medii sunt specializate, motiv pentru care le găsim abia acum”, spune el, după ce LIGO și Virgo au detectat mai mult de 60 de fuziuni.
Dar este probabil ca aceste clustere să conțină găuri negre cu mase diferite, iar fuziunile dezechilibrate produc explozii asimetrice care pot expulza noua gaură neagră din cluster cu o viteză de până la 1000 de kilometri pe secundă. Pentru ca roiurile să fie pepiniere pentru găuri negre în decalajul de masă, reculurile trebuie să fie scăzute, iar roiurile trebuie să fie suficient de masive pentru a le împiedica să scape, spune Loeb.
LIGO și Virgo sunt în curs de modernizare și urmează să reînceapă observațiile în 2022 cu o sensibilitate crescută, ceea ce le va permite să cerceteze de trei ori mai mult cosmos. Găsirea mai multor astfel de fuziuni de mare greutate ne va „învăța despre astrofizica unor astfel de pepiniere stelare”, spune Loeb. „Cu cât avem mai multe evenimente, cu atât mai multe indicii despre originile lor.”
.