Misterul coliziunii uriașilor - fuziune; supraponderal; Găurile negre contrazic
Fuziunea găurilor negre „supraponderale” contrazice modelele actuale
Înregistrați și puzzleți în același timp: astronomii au detectat un eveniment de undă gravitațională neobișnuit și până acum unic. Deoarece atât obiectele inițiale ale acestei fuziuni, cât și gaura neagră rezultată sunt mai grele decât orice s-a observat anterior - și mai grele decât permit modelele actuale. Cu 142 de mase solare, obiectul creat în timpul coliziunii ar putea fi, de asemenea, prima gaură neagră intermediară clar dovedită.
Astronomii au urmărit deja zeci de fuziuni ale găurilor negre prin unde gravitaționale, inclusiv coliziuni între parteneri foarte inegali, cum ar fi găurile negre de diferite dimensiuni sau o gaură neagră cu o stea de neutroni. Cu toate acestea, în majoritatea cazurilor, masa obiectelor implicate a fost aceeași cu cea obișnuită pentru găurile negre stelare. Aceste singularități create de supernove pot, conform doctrinei actuale, să se unească în funcție de maximum 65 de mase solare.
GW190521: Bang în loc de Tschirp
Dar acum, detectoarele observatoarelor LIGO și Fecioară au captat un semnal de undă gravitațională care pare să încalce toate regulile. Semnalul GW190521 detectat la 21 mai 2019 avea o lungime de doar o zecime de secundă și cuprindea patru cicluri de oscilație - aceasta corespunde ultimelor două orbite ale celor două găuri negre înainte de fuzionare.
Ceea ce era neobișnuit, cu toate acestea, a fost intensitatea ridicată și frecvența scăzută a vibrațiilor, care indicau fuziunea a două obiecte deosebit de masive. „Semnalul a fost mai puțin un ciripit, așa cum îl detectăm de obicei, decât un„ bang ”real - este cel mai masiv semnal pe care LIGO și Fecioara l-au observat vreodată”, spune Nelson Christensen de la centrul național de cercetare francez CNRS.
Mai masiv decât orice înainte
Din caracteristicile GW190521, cercetătorii concluzionează că aceste unde gravitaționale trebuie să provină din fuziunea a două găuri negre deosebit de masive. „Cea mai mare cântărea în jur de 85 de mase solare, cea mai mică era mai aproape de 66 de mase solare”, relatează colaborarea LIGO. „Ambele găuri negre sunt, prin urmare, mult mai masive decât oricare dintre cele detectate anterior de Fecioară și LIGO.” Produsul acestei fuziuni este, de asemenea, un gigant masiv: gaura neagră rezultată are în jur de 142 de mase solare.
Astfel, GW190521 este fuziunea cu cea mai mare masă totală observată vreodată. Energia eliberată în această coliziune a fost în mod corespunzător mare: undele gravitaționale aveau echivalentul energetic al a șapte mase solare. Asta i-a făcut suficient de „puternici” încât să ajungă la noi chiar și de la o distanță enormă. Fuziunea celor două găuri negre a avut loc acum aproximativ șapte miliarde de ani - atunci universul era pe jumătate la fel de vechi ca și astăzi.
Prima dovadă a unei găuri negre intermediare?
Evenimentul GW190521 determină fizicienii să aibă nevoie de explicații în mai multe privințe. Deoarece masa actorilor săi este record, până acum unic și contrazice teoriile comune. „Acest eveniment ridică mai multe întrebări decât răspunde”, spune membrul LIGO, Alan Weinstein, de la California Institute of Technology. "Din punct de vedere al fizicii, este un lucru foarte interesant."
Primul puzzle este gaura neagră care s-a format în timpul fuziunii: cu 142 de mase solare, se află în zona intermediară dintre găurile negre stelare și găurile negre supermasive ale nucleelor galaxiei. Astronomii au bănuit mult timp că trebuie să existe găuri negre intermediare care să umple acest decalaj de 100 până la 100.000 de mase solare. Dar până acum există câțiva candidați pentru această clasă - dar încă nu existau dovezi clare.
„Acum avem dovezi că aceste găuri negre intermediare există”, spune Christopher Berry de la Universitatea Northwestern din Evanston.
Mai greu decât permite teoria
A doua enigmă este reprezentată de unul dintre cei doi precursori ai acestei găuri negre intermediare: la 85 de mase solare, se află într-un interval de masă în care nu pot exista de fapt găuri negre stelare. Conform modelelor actuale, supernele produc găuri negre cu maximum 65 de mase solare. Dacă, pe de altă parte, o stea de pornire are mai mult de 200 de mase solare, aceasta nu explodează, ci se prăbușește direct în gaura neagră - aceasta are cel puțin 120 de mase solare.
Asta înseamnă: în intervalul de 65 până la 120 de mase solare există un decalaj în care nu ar trebui să existe găuri negre - astrofizicienii se referă la acesta ca un decalaj de instabilitate în perechi. Dar tocmai în acest decalaj se află cel mai greu dintre cele două obiecte predecesoare ale GW190521. „Faptul că vedem o gaură neagră în mijlocul acestui decalaj de masă va ridica întrebarea multor astrofizicieni cum ar fi putut să apară o astfel de gaură neagră”, spune Christensen.
Trimitere la fuzionarea ierarhică?
Și răspunsul? „GW190521 sugerează că stelele pot crea gauri negre atât de grele sau că unele găuri negre observate de LIGO și Fecioară s-au format într-un mod diferit - poate ca produs al unei fuziuni anterioare”, explică colaborarea LIGO. Atunci GW190521 ar fi un exemplu de fuziuni ierarhice care până acum au fost postulate doar teoretic - coliziuni de găuri negre, care la rândul lor au rezultat și din fuziuni.
O astfel de serie de fuziuni din ce în ce mai masive ar putea avea loc atunci când multe stele apropiate una de alta ajung la sfârșitul ciclului lor de viață și devin găuri negre prin supernove - de exemplu în grupuri de stele sau în centrele dense ale galaxiilor. Acolo, gravitatea găurii negre supermasive ar putea caza aceste obiecte captive și astfel ar putea provoca fuziunile seriei.
Nu este încă clar cum a apărut evenimentul unde gravitaționale GW19052 și cum au apărut actorii săi. Întrebarea dacă găurile negre ale acestei mase sunt valori anormale cosmice sau reprezintă doar sfârșitul dificil al spectrului de masă cunoscut anterior nu a fost încă clarificată. „Sperăm că atunci când vom analiza toate fuziunile găurilor negre pe care LIGO și Fecioara le-au observat în a treia lor perioadă de observare, vom ști mai multe”, spune Karsten Danzmann de la Institutul Max Planck pentru fizică gravitațională. (Physical Review Letters, Astrophysical Journal Letters)
Sursa: Colaborarea LIGO și Colaborarea Fecioară, Institutul Max Planck pentru Fizică Gravitațională