Dvě černé díry se náhodou střetly a vzniklo něco dosud nevídaného

Vlnění časoprostoru, které vzniká při srážkách černých děr, nám o těchto záhadných objektech poskytlo mnoho informací.

Tyto gravitační vlny kódují informace o černých dírách: jejich hmotnosti, tvaru jejich vzájemné spirály směrem dovnitř, jejich rotaci a orientaci. Na základě toho vědci zjistili, že většina srážek, které jsme pozorovali, byla mezi černými dírami v binárních systémech. Dvě černé díry začínaly jako dvojhvězdy masivních hvězd, které se společně proměnily v černé díry, pak se spirálovitě přiblížily a splynuly.

Ze zhruba 90 dosud zjištěných fúzí však jedna vyniká jako velmi zvláštní. GW19052, detekovaná v květnu 2019, vyzařovala vlnění časoprostoru jako žádná jiná. „Její morfologie a struktura podobná explozi se velmi liší od předchozích pozorování,“ říká astrofyzička Rossella Gamba z univerzity v německé Jeně.

„GW190521 byl původně analyzován jako splynutí dvou rychle rotujících těžkých černých děr, které se k sobě přibližují po téměř kruhových drahách, ale jeho zvláštní vlastnosti nás vedly k návrhu dalších možných interpretací,” dodala.

Zejména krátké a ostré trvání signálu gravitačních vln bylo náročné vysvětlit. Gravitační vlny vznikají při skutečném splynutí dvou černých děr, podobně jako vlnění kamene vhozeného do rybníka. Jsou však generovány také binární inspirací a intenzivní gravitační interakce vysílá slabší vlnění, jak se dvě černé díry neúprosně přibližují.

„Tvar a krátkost (méně než desetina sekundy) signálu spojeného s touto událostí nás vedou k hypotéze o okamžitém splynutí dvou černých děr, ke kterému došlo bez spirální fáze,“ vysvětluje astronom Alessandro Nagar z Národního ústavu pro jadernou fyziku v Itálii.

Existuje více než jeden způsob, jak skončit s gravitační interakcí dvojice černých děr. Prvním je, že obě byly dlouhou dobu spolu, možná dokonce od vzniku malých hvězd ze stejného kusu molekulárního mračna ve vesmíru. Druhou možností je, že se dva objekty pohybující se vesmírem minou natolik blízko, že se gravitačně zachytí při takzvaném dynamickém setkání.

Právě to se Gamba a její kolegové domnívali, že se to mohlo stát v případě GW190521, a proto navrhli simulace, aby svou hypotézu ověřili. Rozbili dohromady dvojice černých děr, upravili parametry, jako je trajektorie, spin a hmotnost, a pokusili se reprodukovat podivný signál gravitačních vln detekovaný v roce 2019.

Jejich výsledky naznačují, že obě černé díry nezačaly v binární soustavě, ale byly chyceny do vzájemné gravitační sítě a dvakrát se kolem sebe převalily v divoké excentrické smyčce, než do sebe narazily a vytvořily jednu větší černou díru. A ani jedna z černých děr v tomto scénáři nerotovala.

„Vypracováním přesných modelů pomocí kombinace nejmodernějších analytických metod a numerických simulací jsme zjistili, že vysoce excentrické splynutí v tomto případě vysvětluje pozorování lépe než jakákoli jiná dříve předložená hypotéza,“ říká astronom Matteo Breschi z univerzity v Jeně. „Pravděpodobnost chyby je 1:4300!“

Podle týmu je tento scénář pravděpodobnější v hustě osídlené oblasti vesmíru, jako je hvězdokupa, kde jsou takové gravitační interakce pravděpodobnější. To odpovídá předchozím objevům o GW190521. U jedné z černých děr v této fúzi byla naměřena hmotnost přibližně 85krát větší než hmotnost Slunce.

Podle našich současných modelů nemohou černé díry o hmotnosti vyšší než 65 hmotností Slunce vzniknout z jediné hvězdy; jediný způsob, jak víme, že může vzniknout černá díra o takové hmotnosti, je splynutí dvou objektů s nižší hmotností.

Práce Gamby a jejích kolegů zjistila, že hmotnosti obou černých děr ve srážce se pohybují kolem 81 a 52 hmotností Slunce; to je o něco méně než předchozí odhady, ale jedna z černých děr je stále mimo cestu vzniku kolapsu jádra jedné hvězdy.

Zatím není jasné, zda je třeba naše modely upravit, ale hierarchické fúze (kdy větší struktury vznikají průběžným slučováním menších objektů) jsou pravděpodobnější v prostředí hvězdokup s velkou populací hustých objektů.

Dynamická setkání černých děr jsou považována za poměrně vzácná a zdá se, že dosavadní údaje o gravitačních vlnách získané pomocí LIGO a Virgo to potvrzují. Nicméně vzácné neznamená nemožné a nová práce naznačuje, že GW190521 může být první, které jsme detekovali.

A první znamená, že v příštích letech by jich mohlo být více. Observatoře gravitačních vln jsou v současné době modernizovány a udržovány, ale v březnu 2023 budou opět uvedeny do provozu pro novou pozorovací sérii. Tentokrát se ke dvěma detektorům LIGO v USA a detektoru Virgo v Itálii připojí detektor KAGRA v Japonsku, který poskytne ještě větší pozorovací výkon. Další detekce jako GW190521 by byly úžasné.

Zdroj: nature.com, sciencealert.com

Upozornit na nové komentáře
Upozornit na
guest
0 Komentáře
Inline zpětná vazba
Zobrazit všechny komentáře
0
Budeme rádi, když okomentujete tento článekx