Rendkívüli fekete lyuk-ütközés teszi izgalmassá a gravitációs hullámokat

Művészi illusztráció ütköző fekete lyukakról

A gravitációs hullámokat kutató csillagászok először észleltek két lényegesen eltérő tömegű fekete lyuk közötti ütközést, új fejezetet nyitva ezzel az asztrofizikában és a gravitáció fizikájában. A téridő gyenge hullámai adják az első félreérthetetlen bizonyítékot arra, miszerint az ütközés előtt legalább az egyik fekete lyuk forgott, ami új és értékes információt szolgáltat a csillagászoknak azokról az alig ismert és nehezen tanulmányozható tulajdonságokról, amelyekkel ezek a különleges szupersűrű és sötét objektumok rendelkeznek.

Először észlelték jelentősen eltérő tömegű fekete lyukak ütközését

"Ez egy kivételes esemény" - mondta Maya Fishbach, az illinoisi Chicagói Egyetem asztrofizikusa. Az eddig megfigyelt hasonló ütközések,

mindig nagyjából azonos tömegű fekete lyukak között zajlottak le,

ezért ez az új felfedezés drámai módon megváltoztatja az ezzel kapcsolatos ismereteinket – nyilatkozta Fishbach.

A szupermasszív fekete lyukak akár milliárdszoros naptömegűek is lehetnek (A kép illusztráció) Forrás: Universe Today)

Az eltérő tömegű fekete lyukak közti ütközést még tavaly fedezték fel, de az ezzel kapcsolatos eredményekről Fishbach és munkatársai csak most, április 18-án számoltak be az American Physical Society (APS) virtuális ülésén, amelyet a koronavírus-világjárvány miatt online tartottak meg.

A LIGO kutatója az egyik mikrohullámfrekvencia-mérő tükrét vizsgálja Forrás: MATT HEINTZE/CALTECH/MIT/LIGO LAB

A lézer-interferométer gravitációs hullámok megfigyelőközpontja (LIGO) - ami egy ikerdetektor, és amelyek a Washington állambeli Hanfordban illetve a Louisiana-i Livingstonban működnek - továbbá az olaszországi Virgo megfigyelő intézet 2019. április 12-én egyaránt észlelte a GW190412 jelű eseményt. A LIGO-Virgo együttműködés a megfigyelés eredményeit az arXiv preprint kiszolgálón tette közzé.

Mást tapasztaltak, mint az eddig megfigyelt ütközéseknél

2015 szeptemberében a tudománytörténetben először sikerült észlelési adatokkal is bebizonyítani a gravitációs hullámok létezését, amit Albert Einstein az általános relativitáselmélet publikálásakor mint a „téridő fodrozódásait" elméletben már megjósolt.

A gravitációs hullámokat, mint a téridő fodrozódásait Einstein általános relativitáselmélete jósolta meg Forrás: Wikimedia Commons/Orren Jack Turner, Princeton, N.J.

A LIGO a téridő hullámait két összeolvadó fekete lyuk megfigyelésekor fedezte fel.

A LIGO, amelynek kutatási projektjéhez a Virgo is csatlakozott, később további 10 alkalommal detektált gravitációs hullámokat, ami az univerzum nehéz kémiai elemeinek eredetét is segít megmagyarázni. A harmadik megfigyelési sorozat 2019. április 1-jén kezdődött el és 2020. március 27-én fejeződött be.

Az egyik LIGO érzékelő - mindegyiknek két kiálló karja van, a téridő hullámzása az egyiket megnyújtja, a másikat pedig összenyomja. Ezt a változást lézerek érzékelik Forrás: CALTECH/MIT/LIGO LAB

A megfigyelési technika nagymértékben megnövelt érzékenysége tette lehetővé a LIGO-Virgo észlelőhálózata számára, hogy 50 további „jelöltről" gyűjtsön adatokat.

A legutóbb megfigyelt GW190412 jelű esemény teljesen egyedinek számít

az eddig észlelt hasonló feketelyuk ütközésekhez képest. A két összeolvadt fekete lyuk egyikének becsült tömege körülbelül nyolc naptömeg , a másik pedig ennél több mint háromszor nagyobb, 31 naptömegű sötét objektum volt.

Először sikerült kimutatni két jelentősen különböző tömegű fekete lyuk útközését Forrás: LIGO.dcc

A jelentős tömegkülönbség miatt a nagyobb fekete lyuk eltorzította maga körül a teret, a másik fekete lyuk pályája pedig eltért a tökéletes spiráltól. Ez az összeolvadásból származó gravitációs hullámokban volt megfigyelhető, amelyek az objektumok egymásba ütközésekor jöttek létre.

Két keringő fekete lyuk által keltett gravitációs hullámok illusztrációja. Forrás: https://www.ligo.caltech.edu/page/what-are-gw

Az összes eddig megfigyelt összeolvadás olyan gravitációs hullámot generált, amelynél mind az intenzitás, mind pedig a frekvencia egészen az ütközés pillanatáig folyamatosan növekedett. A GW190412 esetében azonban teljesen más volt a helyzet. "Ez nagyon érdekessé teszi ezt a rendszert, a jel morfológiáját tekintve" - mondta Fishbach.

Most már bizonyos, hogy ezek a szupersűrű objektumok is forognak

A fizikusok türelmetlenül vártak egy ilyen eseményre, mert ez új, pontosabb módszereket kínál Albert Einstein gravitációs elméletének, az általános relativitáselméletnek a tesztelésére.

A felfedezés az általános relativitáselmélet új tesztelési lehetősége Forrás: Wikimedia Commons/Ferdinand Schmutzer

„Az általános relativitáselméleti tesztelés új rendszerébe állunk" – nyilatkozta ezzel kapcsolatban Maximiliano Isi, a LIGO és a Massachusetts Technológiai Intézet (MIT) kutatója, aki szintén részt vett a konferencián.

A fekete lyuk a közelébe került csillagközi anyagot az objektum nagy gravitációs ereje miatt beszippantja Forrás: X-ray: NASA/CXC/UMass/D. Wang et al.; Optical: NASA/ESA/STScI/D.Wang et al.; IR: NASA/JPL-Caltech/SSC/S.Stolovy/Chandra X-Ray Observatory Center

A kutatók ezeket az adatokat a fekete lyukak „spinjének", forgásának felismerésére tudták felhasználni.

Most már biztosan tudjuk, hogy ezek a szupersűrű objektumok is forognak"

- mondta Isi. Az asztrofizikusok azt remélik, hogy a forgás észlelése rávilágíthat arra is, hogy a fekete lyukak hogyan alakultak ki, és mi az oka annak, hogy egyes fekete lyukak egymás körül keringenek.

Egy művész elképzelése, ahogy egy fekete lyuk lenyel egy neutron csillagot. Forrás: https://www.space.com/black-hole-swallows-neutron-star-gravitational-waves.html

Az aszimmetrikus ütközésekről feltárt új információk szintén hozzájárulhatnak ahhoz, hogy pontosabban megmérjék ezeknek az eseményeknek a távolságát a Tejútrendszertől.

Sok ilyen mérési eredmény pedig új módszert jelenthet az univerzum történetének a feltérképezéséhez.

Művészi illusztráció ütköző fekete lyukakról Forrás: NASA

A LIGO – Virgo együttműködés egyre több eredményt fog közzétenni a nem publikált adatok hatalmas sorozatából,

ideértve az egyedi eseményeket is, amelyek különösen érdekesek vagy izgalmasak – fűzte hozzá Jo van den Brand, az amszterdami Nemzeti Szubatomi Fizikai Intézet fizikusa, a Virgo projekt kutatója.

Az univerzum legkülönlegesebb objektumai, a fekete lyukak

Az elfogadott általános definíció szerint a fekete lyuk a téridő olyan tartománya, ahonnan az extrém gravitáció miatt semmi, még a fény sem tud eltávozni, vagyis az objektum elméleti felszínén a szökési sebesség eléri, vagy elméletben meghaladja a fénysebesség értékét.

fekete lyuk Forrás: Wikimedia Commons/NASA-ESA/NASA Hubble material

Valójában a fekete lyuk a szó hagyományos értelmében egy "nem létező égítest",

mert az eseményhorizont mögött a fekete lyuk nem rendelkezik szerkezettel,

kifelé pedig csak a tömege, a töltése illetve a spinje (perdülete) nyilvánul meg.

Fekete lyuk gravitációs lencsehatása szimulált animáción Forrás: Wikimedia Commons/Alain C.

A fekete lyukak létezését az általános relativitáselmélet támasztja alá. Fekete lyuk akkor keletkezhet, ha egy véges tömegű test ( nagytömegű csillag) összeomlása, a gravitációs kollapszus során egy kritikus értéknél kisebb térfogattá zsugorodik össze.

Ilyen esetben az összehúzódást okozó gravitációs erő minden más erőnél nagyobb lesz,

és az elpusztult csillag anyaga egyetlen ponttá zsugorodik össze.

Egy fekete lyuk körüli forró plazmából álló akkréciós korong művészi ábrázolása. A kép közepén levő sötét gömb a fekete lyuk eseményhorizontja Forrás: Wikimedia Commons/XMM-Newton, ESA, NASA

Ebben a pontban bizonyos mennyiségek, mint például a sűrűség vagy a téridő görbület végtelenné válnak

(gravitációs szingularitás). A szingularitást körülölelő térrészben a gravitáció olyan erős, hogy a fény sem tud kiszabadulni innen.

A Cygnus X-1, egy kettőscsillag egyik komponense az egyik elsőnek azonosított fekete lyuk (és egyben fényes röntgenforrás) valamint a körülötte lévő akkréciós korong, fantáziarajzon Forrás: Wikimedia Commons/ESA - European Homepage for the NASA/ESA Hubble Space Telescope

(Ezért is hívják ezeket az objektumokat fekete lyukaknak.)

A szingularitást körbevevő térrész határfelülete az úgynevezett eseményhorizont.

Az eseményhorizonton belülre kerülő anyagot vagy sugárzást pedig elnyeli a szingularitás.

(Forrás: Nature)