Művészi lenyomat két ütköző fekete lyukról.Credit: Carol & Mike Werner/Visuals Unlimited, INC./Science Photo Library
Az eddigi legerősebb, legtávolabbi és legzavaróbb fekete lyukak ütközését észlelték gravitációs hullámok segítségével a csillagászok. A két behemót közül, amelyek akkor olvadtak össze, amikor az Univerzum a jelenlegi korának fele volt, legalább az egyiknek – amely 85-ször akkora tömegű, mint a Nap – olyan tömege van, amelyről eddig azt hitték, hogy túl nagy ahhoz, hogy egy ilyen eseményben részt vegyen. Az egyesülés során pedig a kutatók becslése szerint közel 150 naptömegű fekete lyuk keletkezett, ami egy olyan tartományba helyezi, ahol korábban még nem láttak egyértelműen fekete lyukat.
“Ezzel a felfedezéssel kapcsolatban minden elképesztő” – mondja Simon Portegies Zwart, a hollandiai Leideni Egyetem számítógépes asztrofizikusa. Szerinte ez különösen megerősíti a “köztes tömegű” fekete lyukak létezését: ezek az objektumok sokkal nagyobb tömegűek, mint egy átlagos csillag, de nem olyan nagyok, mint a galaxisok középpontjában lévő szupermasszív fekete lyukak.
Ilya Mandel, az ausztráliai Melbourne-i Monash Egyetem elméleti asztrofizikusa “csodálatosan váratlan” felfedezésnek nevezi a felfedezést.
A szeptember 2-án megjelent két tanulmányban1,2 leírt eseményt 2019. május 21-én észlelték az egyesült államokbeli LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) és az olaszországi Pisa közelében található kisebb Virgo obszervatórium ikerdetektorai. A GW190521 nevet az észlelés dátuma után kapta.
Tiltott tömegek
A LIGO és a Virgo 2015 óta a gravitációs hullámok érzékelésével új betekintést nyújtott a kozmoszba. Ezek a téridő szövetének fodrozódásai olyan eseményeket, például fekete lyukak összeolvadását tárhatják fel, amelyek normál esetben nem lennének láthatóak a közönséges távcsövekkel.
A gravitációs hullámok tulajdonságaiból, például abból, hogy hogyan változik a hangmagasságuk, az asztrofizikusok meg tudják becsülni az őket létrehozó objektumok méretét és egyéb jellemzőit, amikor egymásba spiráloztak. Ez forradalmasította a fekete lyukak tanulmányozását, közvetlen bizonyítékot szolgáltatva több tucat ilyen objektumra, amelyek tömege a Nap tömegének néhány és körülbelül 50-szerese között változik.
Ezek a tömegek összhangban vannak a “hagyományos” módon keletkezett fekete lyukakkal – amikor egy nagyon nagy csillagnak elfogy az égéshez szükséges üzemanyaga, és saját súlya alatt összeomlik. A hagyományos elmélet szerint azonban a csillagösszeomlás nem hozhat létre 65 és 120 naptömeg közötti fekete lyukakat. Ennek az az oka, hogy életük vége felé a csillagok egy bizonyos mérettartományban olyan forróvá válnak a középpontjukban, hogy a fotonokat részecskepárokká és antirészecskékké kezdik átalakítani – ezt a jelenséget nevezik pár-instabilitásnak. Ez az oxigénmagok robbanásszerű fúzióját váltja ki, ami szétszakítja a csillagot, és teljesen szétesik.
Legújabb felfedezésükben a LIGO és a Virgo detektorok csak az utolsó négy hullámzást érzékelték, amelyet a spirálozó fekete lyukak hoztak létre, és amelynek frekvenciája egy tizedmásodperc alatt 30-ról 80 Hertzre emelkedett. Míg a viszonylag kisebb fekete lyukak továbbra is “ciripelnek” a magasabb frekvenciákig, addig a nagyon nagyok hamarabb összeolvadnak, és alig lépnek be annak a frekvenciatartománynak az alsó végébe, amelyre a detektorok érzékenyek.
Ez esetben a két objektum tömegét körülbelül 85 és 66 naptömegre becsülték. “Ez elég pontosan abban a tartományban van, amit a pár-instabilitás tömegkülönbségének kellene lennie” – mondja Christopher Berry, a LIGO asztrofizikusa az Illinois állambeli Evanstonban található Northwestern Egyetemen.
Selma de Mink, a massachusettsi Cambridge-ben található Harvard Egyetem asztrofizikusa még alacsonyabbra, talán 45 naptömegre teszi a pár-instabilitás határát, ami a két objektum közül a könnyebbet is határozottan a tiltott zónába tolná. “Számomra mindkét fekete lyuk kényelmetlenül nagy tömegű” – mondja.”
Hagyományos fekete lyukak
A LIGO kutatói megfigyeléseik magyarázatára számos lehetőséget mérlegeltek, köztük azt is, hogy a fekete lyukak az idők kezdete óta léteznek. A kutatók évtizedek óta feltételezik, hogy ilyen “őseredeti” fekete lyukak spontán módon keletkezhettek a méretek széles skáláján röviddel az ősrobbanás után.
A fő forgatókönyv, amit a csapat mérlegelt, hogy a fekete lyukak azért lettek ilyen nagyok, mert maguk is korábbi fekete lyukak összeolvadásából születtek. A csillagösszeomlásból származó fekete lyukaknak sűrű csillaghalmazokban kellene hemzsegniük, és elvileg ismételt összeolvadásokon mehetnének keresztül. De még ez a forgatókönyv is problematikus, mert az első összeolvadást követően a keletkező fekete lyuknak jellemzően a gravitációs hullámoktól kapnia kell egy rúgást, és ki kell löknie magát a halmazból. Csak ritka esetekben maradna a fekete lyuk olyan területen, ahol újabb összeolvadáson mehetne keresztül.
Az egymást követő összeolvadások valószínűbbek lennének, ha a fekete lyukak galaxisuk zsúfolt központi régióját laknák – mondja de Mink -, ahol a gravitáció elég erős ahhoz, hogy megakadályozza a visszahulló objektumok kilövését.
Azt nem tudni, hogy az egyesülés melyik galaxisban történt. De nagyjából az égbolt ugyanezen régiójában egy kutatócsoport egy kvazárt – egy rendkívül fényes galaktikus központot, amelyet egy szupermasszív fekete lyuk hajt – észlelt, amely körülbelül egy hónappal a GW1905213 után kitörésen ment keresztül. A kitörés egy lökéshullám lehetett a kvazár forró gázában, amelyet a visszahulló fekete lyuk idézett elő, bár sok csillagász óvatosan fogadja el, hogy a két jelenség kapcsolatban áll egymással.
Idén ez a második alkalom, hogy a LIGO-Virgo együttműködés egy “tiltott” tömegtartományba merült: júniusban egy olyan összeolvadást írtak le, amelyben egy körülbelül 2,6 naptömegű objektum vett részt – amelyet általában túl könnyűnek tartanak ahhoz, hogy fekete lyuk legyen, de túl masszívnak ahhoz, hogy neutroncsillag legyen4.
.