Astronomi so razrešili eno najbolj presenetljivih ugank sodobne astrofizike – kako sta lahko dve izjemno masivni črni luknji, za kateri se je zdelo, da ne bi smeli obstajati, trčili pred približno 7 milijardami let. Raziskavo, ki jo je vodil Ore Gottlieb iz Centra za računalniško astrofiziko (CCA) na Inštitutu Flatiron, je objavila fundacija Simons.
„Nihče ni teh sistemov obravnaval tako kot mi,“ je poudaril Gottlieb. „Prejšnje študije so zanemarile magnetna polja, mi pa smo jih vključili – in ravno ta pojasnjujejo, kako so se oblikovale te nenavadno masivne črne luknje.“
Trčenje, zdaj znano kot GW231123, je bilo zaznano leta 2023 v okviru sodelovanja LIGO–Virgo–KAGRA, ki s pomočjo izjemno občutljivih detektorjev meri gravitacijske valove – valovanje v prostor-času, ki ga povzročajo premiki masivnih objektov.
Dogodek je presenetil astronome, saj črne luknje takšnih velikosti in hitrosti vrtenja ne bi smele nastati. Običajno masivne zvezde ob koncu svojega življenja eksplodirajo kot supernove, pri čemer za seboj pustijo črne luknje. Vendar zvezde v določenem masnem območju doživijo posebno vrsto eksplozije, imenovano supernova s parno nestabilnostjo, ki zvezdo popolnoma uniči.
„Zaradi teh supernov ne pričakujemo, da bi lahko nastale črne luknje z maso med približno 70 in 140 Sončevimi masami,“ je pojasnil Gottlieb. „Zato je bilo nenavadno, da smo opazili prav takšne črne luknje.“
Črne luknje znotraj te masne „vrzeli“ bi lahko nastale posredno – z združitvijo dveh manjših črnih lukenj – toda v tem primeru bi morala biti nastala črna luknja močno motena. Nasprotno pa sta se pri dogodku GW231123 črni luknji vrteli skoraj s svetlobno hitrostjo. „Dve tako veliki in hitro vrteči se črni luknji sta izjemno malo verjetni,“ so poudarili raziskovalci.
Dve fazi simulacij razkrivata razvoj po kolapsu zvezde
Da bi pojasnili nastanek teh objektov, so raziskovalci izvedli obsežne računalniške simulacije v dveh fazah. V prvi so simulirali orjaško zvezdo z maso 250 Sonc, od začetka njenega življenja do kolapsa v supernovo. Ob koncu procesa je zvezda izgubila del mase in se skrčila na približno 150 Sončevih mas, kar jo je postavilo tik nad teoretično masno vrzel.
Druga faza simulacij je vključevala magnetna polja – ključni element, ki so ga prejšnje študije prezrle. Po navedbah Gottlieba so prav magnetna polja odločilno vplivala na to, koliko snovi je dejansko padlo v novonastalo črno luknjo.
„Ugotovili smo, da magnetna polja pritiskajo na akrecijski disk okoli črne luknje in iz njega izstreljujejo del materiala skoraj s svetlobno hitrostjo,“ je pojasnil Gottlieb. Ta proces lahko zmanjša maso, ki se napaja v črno luknjo, in s tem spremeni njen končni videz.
V ekstremnih primerih močnih magnetnih polj se lahko v izmetu izgubi tudi do polovice mase prvotne zvezde, kar ustvari črno luknjo ravno v območju prej nepojasnjene masne vrzeli.
Povezava med maso, vrtenjem in magnetnimi silami
„Prisotnost rotacije in magnetnih polj lahko bistveno spremeni razvoj zvezde po kolapsu,“ je dejal Gottlieb. Po njegovih besedah magnetna polja ne le vplivajo na maso, temveč tudi na hitrost vrtenja nastale črne luknje. Močnejša polja upočasnijo vrtenje, šibkejša pa ga povečajo – s čimer se med maso in vrtenjem vzpostavi razmerje.
Raziskovalci verjamejo, da ta vzorec velja za številne črne luknje in bi lahko razložil njihovo raznolikost v vesolju. „Videti je, da črne luknje sledijo povezavi med svojo maso in hitrostjo vrtenja,“ so poudarili.
Čeprav trenutno ni drugega znanega sistema, ki bi omogočal neposredno preverjanje te povezave, astronomi upajo, da bodo prihodnja opazovanja potrdila to domnevo. Simulacije kažejo tudi, da lahko nastanek takšnih črnih lukenj povzroča izbruhe gama žarkov, ki bi jih lahko zaznali teleskopi.
„Če bi te podpise gama žarkov opazili, bi to potrdilo naš predlagani mehanizem in razkrilo, kako pogosto nastajajo te izjemno masivne črne luknje,“ je dejal Gottlieb.
Foto: Unsplash/Vesoljski teleskop Nasa Hubble
