Az ütköző fekete lyukak által a téridőben keltett hullámok sokat tanítottak nekünk ezekről a rejtélyes objektumokról.
Ezek a gravitációs hullámok információkat kódolnak a fekete lyukakról: tömegükről, egymás felé irányuló spiráljuk alakjáról, forgásukról és irányukról.
Ebből a tudósok megállapították, hogy az eddig látott ütközések többsége bináris rendszerekben lévő fekete lyukak között történt. A két fekete lyuk masszív csillagok kettőseként indult, amelyek együtt váltak fekete lyukakká, majd spirálisan befelé fordultak és összeolvadtak.
Az eddig észlelt mintegy 90 összeolvadás közül azonban egy nagyon különösnek tűnik. A 2019 májusában észlelt GW19052 olyan tér-idő hullámokat bocsátott ki, mint senki más.
Morfológiája és robbanásszerű szerkezete nagyon különbözik a korábbi megfigyelésektől
– mondja Rossella Gamba asztrofizikus a németországi Jénai Egyetemről.
A kutató ezután hozzátette, hogy a GW190521-et eredetileg két gyorsan forgó, egymáshoz közelítő, majdnem körkörös pályán keringő nehéz fekete lyuk összeolvadásaként elemezték, de különleges tulajdonságai arra késztették a szakembereket, hogy más lehetséges értelmezéseket javasoljanak.
Különösen a gravitációs hullámjel rövid, éles időtartamát volt kihívás megmagyarázni.
A gravitációs hullámokat két fekete lyuk tényleges összeolvadása generálja, leginkább a tóba dobott kő hullámzására hasonlít. De a kettős inspiráció is generálja őket, és az intenzív gravitációs kölcsönhatás gyengébb hullámokat bocsát ki, ahogy a két fekete lyuk feltartóztathatatlanul közeledik egymáshoz.
Az eseményhez kapcsolódó jel alakja és rövidsége – kevesebb, mint egy tizedmásodperc – arra enged következtetni, hogy két fekete lyuk azonnali összeolvadását feltételezzük, amely spirális fázis hiányában következett be
– magyarázza Alessandro Nagar csillagász, az olaszországi National Institution for Nuclear Physics munkatársa.
Egynél több módja van annak, hogy egy fekete lyukpár gravitációs kölcsönhatásba kerüljön. Az első az, hogy a kettő objektum már régóta együtt mozgott, talán még a világűrben ugyanabból a molekulafelhő-darabból származó bébicsillagok kialakulásától kezdve.
A másik értelmezés szerint egyfajta dinamikus találkozás történt. Ez azt jelenti, hogy amikor két, az űrben mozgó objektum elég közel halad el egymás mellett gravitációsan összeakadnak.
Gamba és kollégái úgy gondolták, hogy ez történhetett a GW190521-gyel, ezért szimulációkat terveztek, hogy teszteljék a hipotézisüket. Fekete lyukpárokat zúztak össze, és olyan paramétereket, mint a pálya, a spin és a tömeg, módosítottak, hogy megpróbálják reprodukálni a 2019-ben észlelt furcsa gravitációs hullámjelet.
Eredményeik azt sugallják, hogy a két fekete lyuk nem binárisnak indult, hanem egymás gravitációs hálójába keveredtek, és kétszer is elszáguldottak egymás mellett egy vad, excentrikus hurokban, mielőtt összecsapódtak volna, hogy egyetlen nagyobb fekete lyukat alkossanak. És ebben a forgatókönyvben egyik fekete lyuk sem forgott.
A legmodernebb analitikus módszerek és numerikus szimulációk kombinációjával pontos modelleket fejlesztve azt találtuk, hogy ebben az esetben egy erősen excentrikus összeolvadás jobban megmagyarázza a megfigyelést, mint bármely más, korábban felállított hipotézis. A tévedés valószínűsége 1:4300!
– mondja Matteo Breschi csillagász a Jénai Egyetemről.
A csapat szerint ez a forgatókönyv valószínűbb a világűr sűrűn lakott régióiban, például egy csillaghalmazban, ahol az ilyen gravitációs kölcsönhatások nagyobb valószínűséggel fordulnak elő.
Ez összhangban van a GW190521-gyel kapcsolatos korábbi felfedezésekkel. Az összeolvadásban részt vevő egyik fekete lyuk tömegét a Nap tömegének mintegy 85-szörösére mérték.
A kutatók jelenlegi modelljei szerint a 65 naptömegnél nagyobb fekete lyukak nem alakulhatnak ki egyetlen csillagból: a jelenlegi tudásunk szerint egy ilyen tömegű fekete lyuk csak két kisebb tömegű objektum összeolvadása révén jöhet létre.
Gamba és munkatársai munkája szerint az ütközésben részt vevő két fekete lyuk tömege 81 és 52 naptömeg körül van: ez valamivel alacsonyabb a korábbi becsléseknél.
Egyelőre nem világos, hogy modelljeiket kell-e még finomítani, de a hierarchikus összeolvadások – amelyek során a nagyobb struktúrák kisebb objektumok folyamatos összeolvadása révén jönnek létre – valószínűbbek egy olyan halmazkörnyezetben, ahol a sűrű objektumok nagy populációja található.
A fekete lyukak közötti dinamikus találkozásokat meglehetősen ritkának tartják, és a LIGO és a Virgo által eddig gyűjtött gravitációs hullámok adatai is alátámasztják ezt. A ritka azonban nem jelenti azt, hogy lehetetlen, és az új munka azt sugallja, hogy a GW190521 lehet az első ilyen kivétel, amit észleltek.
Az első pedig azt jelenti, hogy az elkövetkező években még több is lehet. A gravitációs hullámobszervatóriumokat jelenleg korszerűsítik és karbantartják, de 2023 márciusában ismét működésbe lépnek egy új megfigyelési sorozatra. Ezúttal a LIGO két amerikai detektorához és az olaszországi Virgo detektorhoz a japán KAGRA is csatlakozik, így még nagyobb megfigyelési teljesítményt nyújt majd.
Forrás: Science Alert
