Free Press

Astronomii au detectat cea mai puternică, cea mai îndepărtată și cea mai perplexă coliziune de găuri negre de până acum cu ajutorul undelor gravitaționale. Dintre cei doi mastodonți care au fuzionat atunci când Universul avea jumătate din vârsta sa actuală, cel puțin una dintre ele – cântărind de 85 de ori mai mult decât Soarele – are o masă despre care se credea că este prea mare pentru a fi implicată într-un astfel de eveniment. Iar fuziunea a produs o gaură neagră de aproape 150 de mase solare, au estimat cercetătorii, ceea ce o plasează într-un interval în care nicio gaură neagră nu fusese văzută până acum în mod concludent.

„Totul în legătură cu această descoperire este uluitor”, spune Simon Portegies Zwart, un astrofizician computaționalist de la Universitatea Leiden din Olanda. În special, spune el, aceasta confirmă existența găurilor negre de „masă intermediară”: obiecte mult mai masive decât o stea obișnuită, dar nu la fel de mari ca găurile negre supermasive care locuiesc în centrul galaxiilor.

Ilya Mandel, astrofizician teoretician la Universitatea Monash din Melbourne, Australia, numește descoperirea „minunat de neașteptată”.

Evenimentul, descris în două lucrări publicate pe 2 septembrie1,2, a fost detectat pe 21 mai 2019, de către detectorii gemeni ai Observatorului de unde gravitaționale Laser Interferometru (LIGO) din Statele Unite și de către observatorul mai mic Virgo de lângă Pisa, Italia. Este numit GW190521 după data detectării sale.

Mase interzise

Din 2015, LIGO și Virgo au oferit noi informații despre cosmos prin detectarea undelor gravitaționale. Aceste ondulații în țesătura spațiu-timp pot dezvălui evenimente precum fuziunile găurilor negre care, în mod normal, nu ar fi vizibile cu telescoapele obișnuite.

Pe baza proprietăților undelor gravitaționale, cum ar fi modul în care acestea își schimbă înălțimea, astrofizicienii pot estima dimensiunile și alte caracteristici ale obiectelor care le-au produs în timp ce intrau în spirală unele în altele. Acest lucru a revoluționat studiul găurilor negre, oferind dovezi directe pentru zeci de astfel de obiecte, a căror masă variază de la câteva până la aproximativ 50 de ori mai mare decât masa Soarelui.

Aceste mase sunt în concordanță cu găurile negre care s-au format într-un mod „convențional” – atunci când o stea foarte mare nu mai are combustibil pentru a arde și se prăbușește sub propria greutate. Dar teoria convențională spune că colapsul stelar nu ar trebui să producă găuri negre între aproximativ 65 și 120 de mase solare. Acest lucru se datorează faptului că, spre sfârșitul vieții lor, stelele dintr-o anumită gamă de mărimi devin atât de fierbinți în centrul lor încât încep să convertească fotonii în perechi de particule și antiparticule – un fenomen numit instabilitatea perechilor. Acest lucru declanșează fuziunea explozivă a nucleelor de oxigen, care sfâșie steaua, dezintegrând-o complet.

În cea mai recentă descoperire a lor, detectoarele LIGO și Virgo au sesizat doar ultimele patru ondulații produse de găurile negre în spirală, cu o frecvență care a crescut de la 30 la 80 de hertzi în decurs de o zecime de secundă. În timp ce găurile negre relativ mai mici continuă să „ciripească” până la frecvențe mai înalte, cele foarte mari fuzionează mai devreme și abia intră în capătul inferior al intervalului de frecvențe la care detectoarele sunt sensibile.

În acest caz, s-a estimat că cele două obiecte cântăresc aproximativ 85 și 66 de mase solare. „Acest lucru se încadrează destul de bine în intervalul în care ne-am aștepta ca diferența de masă a instabilității perechilor să fie”, spune astrofizicianul LIGO Christopher Berry de la Universitatea Northwestern din Evanston, Illinois.

Selma de Mink, astrofizician la Universitatea Harvard din Cambridge, Massachusetts, plasează limita pentru instabilitatea perechilor chiar mai jos, poate la 45 de mase solare, ceea ce ar împinge cel mai ușor dintre cele două obiecte ferm în zona interzisă, de asemenea. „Pentru mine, ambele găuri negre sunt inconfortabil de masive”, spune ea.

Găuri negre neconvenționale

Pentru a-și explica observațiile, cercetătorii LIGO au luat în considerare o serie de posibilități, inclusiv faptul că găurile negre au existat încă de la începutul timpului. Timp de decenii, cercetătorii au conchis că astfel de găuri negre „primordiale” s-ar fi putut forma spontan într-o gamă largă de dimensiuni la scurt timp după Big Bang.

Scenariul principal pe care echipa l-a avut în vedere este că găurile negre au ajuns atât de mari deoarece ele însele au fost rezultatul unor fuziuni anterioare de găuri negre. Găurile negre rezultate în urma colapsului stelar ar trebui să abundă în interiorul unor aglomerări stelare dense și, în principiu, acestea ar putea suferi fuziuni repetate. Dar chiar și acest scenariu este problematic, deoarece, în urma unei prime fuziuni, gaura neagră rezultată ar trebui, de obicei, să primească o lovitură de la undele gravitaționale și să se ejecteze singură din cluster. Doar în cazuri rare gaura neagră ar rămâne într-o zonă în care ar putea suferi o altă fuziune.

Fuziunile succesive ar fi mai probabile dacă găurile negre ar locui în regiunea centrală aglomerată a galaxiei lor, spune de Mink, unde gravitația este suficient de puternică pentru a împiedica obiectele care se retrag să iasă afară.

Nu se știe în ce galaxie a avut loc fuziunea. Dar, aproximativ în aceeași regiune a cerului, o echipă de cercetători a observat un quasar – un centru galactic extrem de luminos alimentat de o gaură neagră supermasivă – care a suferit o erupție la aproximativ o lună după GW1905213. Erupția ar fi putut fi o undă de șoc în gazul fierbinte al quasarului produsă de gaura neagră în recul, deși mulți astronomi sunt prudenți în a accepta că cele două fenomene sunt legate.

Aceasta este a doua oară în acest an când colaborarea LIGO-Virgo a pătruns într-un interval de masă „interzis”: în iunie, ei au descris o fuziune care a implicat un obiect de aproximativ 2,6 mase solare – de obicei considerat prea ușor pentru a fi o gaură neagră, dar prea masiv pentru a fi o stea neutronică4.

.