Rekordní kolize „zakázaných“ černých děr může mít konečně vysvětlení, odhalují vědci
Vědci vystopovali původ těch nejhmotnějších černá díra kdy byla pozorována sloučení, odhalující, jak se mohli zformovat dva „nemožní“ obři navzdory dlouhodobým předpokladům, že by takové objekty neměly existovat.
Tyto černé díry byly považovány za „zakázané“, protože se předpokládalo, že hvězdy této velikosti se rozletí při extrémně silných explozích a nezanechají za sebou žádný zbytek, který by se mohl zhroutit do černé díry.
Zjištění také naznačují, že černé díry se mohou tvořit efektivněji, než si vědci mysleli, což by mohlo změnit naše chápání toho, jak první hvězdy a černé díry ve vesmíru daly vzniknout dnešním supermasivním černým dírám.
Proč záleží na sloučení těžkých černých děr
Srážky černých děr se staly jedním z nejdůležitějších nástrojů pro pochopení vesmíru.
„Slučování černých děr nám umožňuje pozorovat vesmír nikoli prostřednictvím světla, ale prostřednictvím gravitace – prostřednictvím gravitačních vln produkovaných deformací prostoru a času, když se černé díry spirálovitě spojují a spojují.“ Krušný GottliebProfesor z Centra pro výpočetní astrofyziku, který vedl práci, řekl Live Science v e-mailu. Gravitační vlny nabízejí vzácný pohled do oblastí vesmíru, kde je gravitace tak extrémní, že ani světlo nemůže uniknout. Ze samotného tvaru signálu mohou vědci odvodit hmotnosti a rotace splývajících objektů a rekonstruovat, jak vznikly.
Tato pozorování testují Einsteinovu teorii obecná teorie relativity kde jsou její předpovědi nejnáročnější, protože zakřivení časoprostoru kolem splývajících černých děr posouvá teorii na její hranice. Události týkající se nejtěžších černých děr také odhalují, jak hmotné hvězdy žily a umíraly v průběhu kosmického času a jak brzy černé díry vyrostly v monstra, která dnes sedí v centrech galaxií.
Nejmasivnější sloučení černých děr, jaké kdy bylo zjištěno
Když detektory zaznamenaly GW231123 v listopadu 2023 si astronomové rychle uvědomili, že stojí stranou. Dva obrovské objekty – zhruba 100 a 130krát hmotnější než Slunce – se spojily ve vzdálenosti více než 2 miliardy světelných let. Překvapením bylo, že černé díry této velikosti spadají do toho, co fyzici nazývají „hmotnostní mezera“, což je rozsah mezi zhruba 70 a 140 hmotnostmi Slunce, kde se žádné černé díry neočekávaly.
Hvězdy v tomto dosahu se obvykle roztrhají na kusy díky prudkým výbuchům supernov a nezanechají po sobě nic. Přesto GW231123 obsahoval ne jeden, ale dva takové objekty – a oba vykazovaly známky rotace při extrémních rychlostech. Událost zahrnovala „dvě z nejrychleji rotujících černých děr, což ukazuje na vzácný formovací kanál masivních a rychle rotujících černých děr, které neměly existovat,“ řekl Gottlieb.
Aby se zjistilo, jak se takové černé díry mohly tvořit, vytvořil tým podrobné, trojrozměrné simulace, počínaje životem extrémně hmotné hvězdy. Model sledoval jádro helia o hmotnosti asi 250krát větší než je hmotnost Slunce, když spalovalo palivo, zhroutilo se a vytvořilo novorozenou černou díru. Dřívější teorie předpokládaly, že se taková hvězda zhroutí v jednom kuse a zůstane černá díra stejně těžká jako původní jádro. Nová studie ale ukazuje, že tomu tak není vždy.
Řešení nemožného
Gottlieb a kolegové zjistili, že rychlá rotace všechno mění.
„Ukázali jsme, že pokud se hvězda rychle otáčí, vytváří kolem nově zrozené černé díry akreční disk,“ vysvětlil Gottlieb. „Silná magnetická pole generovaná v tomto disku mohou pohánět silné výrony, které vypuzují část hvězdného materiálu a brání mu v pádu do černé díry.“ Místo toho, aby spolkla celé jádro, mladá černá díra ztratí přístup k velké části okolní hmoty, protože magnetické síly vystřelují materiál do vesmíru.
Tento mechanismus redukuje konečnou hmotnost zbytku a tlačí ho dolů do hmotové mezery – oblasti, která se dříve považovala za nedosažitelnou. „Výsledkem je, že konečná hmotnost černé díry může být výrazně snížena a přistane v hmotové mezeře, což je oblast, o níž se dříve myslelo, že je nepřístupná,“ řekl Gottlieb.
Simulace také přirozeně vytvořily spojení mezi hmotností a rotací výsledné černé díry. Silná magnetická pole extrahují moment hybnosti, čímž zpomalují černou díru a zároveň vyvrhují více hmoty. Slabší pole zanechávají masivnější, rychleji se točící objekt. Tento vztah úzce odpovídá vlastnostem odvozeným pro dvě černé díry v GW231123. Jedna by se vytvořila ve hvězdě se středními magnetickými poli a druhá by se vytvořila ve hvězdě se slabšími, čímž by vznikla dvojice s různými konečnými hmotnostmi a rotacemi – přesně to, co naznačuje signál gravitační vlny.
Co tyto objevy znamenají pro gravitaci a kosmickou historii
Extrémní události jako GW231123 protahují obecnou relativitu až k jejímu zlomu.
„Obrovské zakřivení prostoru a času sonduje obecnou relativitu hluboko v jejím nejextrémnějším režimu silného pole, což nám umožňuje testovat, zda Einsteinovy rovnice zůstávají přesné, když je gravitace nejextrémnější,“ poznamenal Gottlieb.
Pokud by se podobné události stávaly v raném vesmíru často, formovaly by růst prvních černých děr. Taková spojení „naznačují, že masivní černé díry se mohou tvořit efektivněji, než předpovídají současné hvězdné modely,“ řekl Gottlieb. „To by ovlivnilo naše chápání toho, jak první generace hvězd a černých děr zasadila supermasivní černé díry, které dnes pozorujeme v galaxiích.“
Práce týmu ukazuje na novou cestu formování masivních černých děr a předpovídá konkrétní vzory, které mohou astronomové hledat. „Naše práce otevírá nové okno pro tvorbu černých děr v masové mezeře a předpovídá černé díry první generace (bez předchozích sloučení) ve všech hmotnostech,“ řekl Gottlieb. Budoucí detekce gravitačních vln otestují, zda korelace hmotnosti a rotace nalezená v simulacích platí pro mnoho událostí.
„Jakmile odhalíme masivnější dvojhvězdy černých děr, budeme schopni otestovat předpokládanou korelaci na této populaci,“ řekl Gottlieb. Tyto objevy mohou odhalit, zda je GW231123 kosmickou raritou nebo prvním jasným znakem skryté populace masivních, rychle rotujících černých děr.
