Minden korábbinál erősebb gravitációs hullámokat észleltek

Két bespirálozó fekete lyuk művészi megjelenítése

Két fekete lyuk összeolvadása során a Nap tömege nyolcszorosának megfelelő energia szabadult fel gravitációs hullámok formájában - írja a LIGO-Virgo kollaboráció közleménye.

Üressége ellenére az univerzum nagyon is aktív: folyamatosan gravitációs hullámok szelik át. A téridő szövetének rezdüléseit extrém csillagászati jelenségek okozzák, mintha kozmikus harangok kongnának.

A LIGO-Virgo együttmőködés kutatói egy olyan jelet észleltek, amely az eddigi legnehezebbnek észlelt fekete lyukak összeolvadása során keletkezett.

Az összeolvadás eredménye az elsőnek felfedezett köztes tömegű fekete lyuk (angolul intermediate-mass black hole, röviden IMBH). Ebbe a csoportba azok a fekete lyukak tartoznak, amelyek tömege 100 és 1000 naptömeg között van.

A GW190521 elnevezésű jel észlelése 2019. május 21-én történt, a két amerikai LIGO és az olasz Virgo detektorok segítségével. Maga a jel kivételesen rövid volt a maga kevesebb, mint egytized másodperces hosszával. Az adatok alapján a forrás mintegy 16 milliárd fényév (luminozitási) távolságra lehetett tőlünk és az univerzum is csak fele ilyen idős volt az esemény idején.

Ezzel ez az egyik legtávolabb keletkezett gravitációs hullám, amit mostanáig sikerült észlelni.

Ahogy az eddig megerősített összes gravitációshullám-jel, valószínűleg a GW190521 is két fekete lyuk összeolvadása során keletkezett, amelyek körülbelül 85-ször illetve 66-szor nehezebbek voltak, mint a Nap.

Az egyik LIGO érzékelő Forrás: CALTECH/MIT/LIGO LAB

A LIGO-Virgo kutatói a fekete lyukak perdületét is meghatározták. Ebből az derült ki, hogy ahogy a lyukak egyre közelebb kerültek egymáshoz, a saját tengelyük körül is forogtak. Mivel a forgás síkja nem esett egybe a keringés síkjával, a fekete lyukak forgástengelyei imbolyogni (precesszálni) kezdtek a bespirálozás közben.

Az összeolvadás után egy még nagyobb, 142 naptömegű fekete lyuk jött létre. Ez azt jelenti, hogy az összeolvadásban hatalmas mennyiségű, 8 naptömegnek megfelelő energia sugárzódott szét gravitációs hullámok formájában.

Bár az ilyen típusú jeleket „chirp"-nek, azaz csiripelésnek szokták nevezni, ezt az eseményt a "durranás" szó sokkal jobban jellemzi.

A LIGO Scientific Collaboration (LSC) és a Virgo Collaboration két szakcikket is közölt az észleléssel kapcsolatban. A Physical Review Letters folyóiratban az észlelés részleteit, a The Astrophysical Journal Letters folyóiratban pedig a jel fizikai tulajdonságai és asztrofizikai vonatkozásai jelentek meg.

A felfedezés nemcsak azért meglepő, mert nehezen magyarázható a fekete lyukak tömegének értéke, hanem azért is, mert rámutat, hogy a LIGO és Virgo detektorok olyan jelek észlelésére is alkalmasak, amilyenekre korábban nem számítottunk.

GW190521: Gravitációs hullámok az eddig észlelt legnagyobb tömegű fekete lyukak összeolvadásából Forrás: Deborah Ferguson, Karan Jani

Újabb tömegrés került betöltésre

A fekete lyukak kivételesen nagy tömege rengeteg kérdést vet fel a keletkezésükkel kapcsolatban. Az eddig megfigyelt fekete lyukak mindegyike két kategóriába volt besorolható. Az egyikbe a sztelláris fekete lyukak tartoztak, amelyek tömege legfeljebb 10 naptömeg lehet. Ilyenek akkor keletkeznek, amikor a nagytömegű csillagok az életük végéhez érnek. A másik kategória a szupernehéz fekete lyukaké, amelyek tömege többszázezer, vagy akár többmilliárd naptömeg is lehet. Ilyen fekete lyuk található a Tejútrendszer közepén is.

A most észlelt GW190521 során keletkezett 142 naptömegű fekete lyuk pont e két kategória között van, így ez az első megfigyelt köztes tömegű fekete lyuk.

A két összeolvadt fekete lyuk is különleges méretű. Valószínű, hogy legalább az egyik nem egy csillag összeomlásával jött létre, mint a legtöbb sztelláris fekete lyuk.

A Napban és más csillagokban a gravitáció összehúzó hatásának a magban lévő fotonok és gázrészecskék nyomása tart ellent. Miután a nehéz csillagok magja már vasból áll, ez a nyomás nem tudja fenntartani az egyensúlyt. Ilyenkor a csillag a saját súlyától összeomlik, és egy szupernóva-robbanás után egy fekete lyuk vagy egy neutroncsillag marad hátra.

Ez a folyamat még magyarázatot ad arra, hogy egy legfeljebb 130 naptömegű csillagból hogyan keletkezhet egy legfeljebb 65 naptömegű fekete lyuk. nehezebb csillagoknál azonban már képbe jön a pár-instabilitásnak nevezett jelenség. Ha a magban lévő fotonok nagyon nagy energiával rendelkeznek, át tudnak alakulni egy elektron-antielektron párrá. Ilyen párok kisebb nyomást tudnak csak kifejteni, mint a fotonok, így a csillag hamarabb instabillá válik, és olyan hevesen robban fel, hogy egyáltalán nem marad utána semmi. Egy még nehezebb, 200 naptömeg feletti csillag ugyanakkor robbanás nélkül összezuhanhat egy fekete lyukká, ennek a tömege azonban legalább 120 naptömeg lenne. Egy csillag összeomlása során tehát elvileg nem keletkezhet 65 és 120 naptömeg közötti fekete lyuk – a pár-instabilitás miatt itt van egy tömegrés.

A GW190521 jel forrásában az egyik fekete lyuk, a maga 85 naptömegével, ebbe a tömegrésbe esik. Ilyenre korábban nem láttunk példát, és ez komoly fejtörést okoz az asztrofizikusoknak"

- írja a kollaboráció közleménye.

Egy lehetséges magyarázat a fekete lyuk keletkezésére, hogy ez is egy korábbi feketelyuk-összeolvadás során keletkezett. Mivel a kisebbik fekete lyuk tömege (66 naptömeg) is éppen bele esik a tömegrésbe, elképzelhető, hogy korábbi összeolvadások egész sora kellett a most észlelt eseményhez.

Két bespirálozó fekete lyuk művészi megjelenítése Forrás: ARC Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav)/Mark Myers

Valami váratlan

További kérdések is felvetődnek a GW190521 jellel kapcsolatban.

A LIGO és a Virgo detektorok adataiban automatizált jelkeresés folyik, amely kiugró jelek után kutat a sok zaj között. Ez alapvetően kétféleképpen történhet: a bespirálozó kettősök jellemző hullámjeleit célzott algoritmusokkal fel lehet ismerni; az általánosabb jelek (ún. "kitörések) azonban csak valamilyen, a megszokottól eltérő szabályos mintázat formájában ismerhetőek fel. Míg az előbbi módszer minden olyan jelet megtalál, ami elég erős és az előzetes várakozásnak megfelelő, utóbbi sokkal inkább váratlan, rajtaütésszerű felfedezésekhez vezethet.

A GW190521 jelet pont egy ilyen általános kereséssel sikerült észrevenni, mivel a vártnál rövidebb volt a jel. Valójában az sem kizárható, hogy nem is két fekete lyuk összeolvadása okozta, hanem valami egészen más, egyelőre azonban a forrásra a két fekete lyuk összeolvadása a legvalószínűbb magyarázat.

De mi van akkor, ha tényleg valami teljesen más keltette ezeket a gravitációs hullámokat? Az egyik szakcikkben szó van arról, milyen más forrása lehetett a jelnek. Elképzelhető például, hogy egy összeomló csillag keltette a mi galaxisunkban. Akár az is lehet, hogy egy az univerzum hajnalán, a kozmikus inflációban keletkezett kozmikus húr hozta létre. A közlemény szerint azonban ezen eshetőségek egyike sem illik olyan jól az adatokra, mint az összeolvadt fekete lyuké.