A fizikusok először egy évtizeddel ezelőtt detektálták azokat a térben terjedő apró hullámokat, amelyeket két fekete lyuk okozott, ahogy egymás felé sodródtak egy, a kozmoszt megrázó ütközés során. Mostanra végre talán közelebb kerültünk egy olyan rejtély megfejtéséhez, amely azóta is fejtörést okozott a szakértőknek: hogyan alakulnak ki ezek a fekete lyukakból álló párok? A LIGO lézerinterferométeres gravitációshullám-obszervatórium, két hatalmas optikai létesítménye Louisiana és Washington államban, valamint az olaszországi Virgo detektor több mint 300 ilyen összeolvadást észlelt. Az elmúlt hónapokban az adatokkal végzett statisztikai vizsgálatok nyomán megállapították, hogy az eredeti várakozásokkal ellentétben a feketelyuk-párok háromféle típusba sorolhatók, és ezek három különböző módon jönnek létre.
„Még két évvel ezelőtt sem volt koherens képünk a történésekről. Most kezdenek a helyükre kerülni a dolgok” – mondja Vicky Kalogera, a Northwestern Egyetem asztrofizikusa és az egyik új tanulmány szerzője. Daniel Holz, a Chicagói Egyetem elméleti asztrofizikusa, aki nem vett részt a kutatásokban, úgy véli, hogy az eredmények igazolják a statisztikai módszerek erejét, amelyekkel feltárhatók az összeolvadások „alpopulációi”, annak ellenére is, hogy szinte minden összeolvadást túl pontatlanul mértek ahhoz, hogy önmagában kategorizálni lehessen.
Kozmikus koreográfia
A fekete lyuk egy rendkívül erős gravitációs mező, amely akkor marad hátra, amikor egy nagy tömegű csillag magja egy rendkívül kicsi térrészbe omlik össze. Amikor két fekete lyuk párba áll, és a fénysebesség jelentős hányadával haladva zuhan egymás felé, spirális gravitációs hullámokat bocsátanak ki. A LIGO és a Virgo, amelyek a tér átmeneti megnyúlásait és összehúzódásait mérik, ezeket a hullámokat rövid oszcillációs jelekként érzékelik, amelyek frekvenciája és amplitúdója növekszik, mielőtt a fekete lyukak tényleges összeolvadása bekövetkezne.
A LIGO eredményei előtt az elméleti fizikusok két általános módot tartottak valószínűnek, ahogyan a fekete lyukak párba állhatnak. Ezek kialakulhatnak két csillagból, amelyek ugyanabból a kavargó gázfelhőből keletkezve egymás körül keringtek – ezek az úgynevezett „mezőbeli kettősök”. Vagy külön-külön is formálódhatnak, majd állhatnak össze egy olyan gravitációs kölcsönhatásban, amely során egy harmadik objektum kidobódik a rendszerből. Az ilyen dinamikus összeolvadások legvalószínűbb helyszínei a fekete lyukakban gazdag, sűrű csillaghalmazok.
Az egyes párképzési típusok megkülönböztetéséhez a LIGO és a Virgo kutatói – valamint japán kollégáik a Kamioka Gravitációshullám-detektortól (KAGRA) – a fekete lyukak forgásirányát vizsgálták.
A mezőbeli kettősből származó fekete lyukaknak azonos irányba kell forogniuk, ahogyan egymás körül keringenek. Amikor viszont a fekete lyukak formálódásuk után kerülnek össze, forgásirányuk véletlenszerű lesz.
A fekete lyukak forgásirányának gravitációshullám-jelekből történő levezetése nem egyszerű feladat. Ha a két objektum nagyjából ugyanabba az irányba forog, a forgásból adódó szögimpulzus meghosszabbítja a hullámjeleket. Ha a forgásirányok nagyjából ellentétesek, akkor a jel rövidebb lesz. Ha pedig a forgástengelyek a keringési síkban fekszenek, a sík percesszálhat, vagyis billeghet, ami a jel instabilitását okozhatja.
Új katalógus
Egyáltalán nem tűnt biztosnak, hogy mindkét mechanizmus hasonló ütemben hoz létre párokat, ezért a szakértők azt feltételezték, hogy az egyik vagy a másik mechanizmus fog dominálni, mondja Sharan Banagiri, a Monash Egyetem gravitációs hullám-asztrofizikusa. Ez a teória azonban látványosan tévesnek bizonyult, folytatja a szakértő.
Ahogy észlelték az egymást követő eseményeket, nem rajzolódott ki egyértelmű minta. Ugyanakkor az elméleti fizikusok rájöttek, hogy a jelek is kevésbé egyértelműen értelmezhetők, mint ahogyan azt eleinte gondolták. A galaxis közepén lévő szupernehéz fekete lyuk körüli korongban dinamikusan kialakuló párok hajlamosak lehetnek ugyanabba az irányba forogni, utánozva a mezőbeli kettősöket. A mezőbeli kettősökben pedig az első csillagot fekete lyukká alakító szupernóva-robbanás drasztikusan megváltoztathatja a másik csillag tengelyirányát és forgását.
A nyilvános LIGO-Virgo-KAGRA-adatok legfrissebb statisztikai elemzései azt mutatják, hogy a feketelyuk-párok legalább három típusba sorolhatók.
A kis tömegű párok – amelyekben a nagyobb fekete lyuk tömege kevesebb körülbelül 10 naptömegnél – esetében általában a pálya tengelyével párhuzamos a forgástengely, és tömegük nem feltétlenül egyenlő, ami összhangban áll a mezőbeli kettősből való kialakulással. Ha a nehezebb fekete lyuk tömege 10 és 30 naptömeg között van, a párok forgása általában véletlenszerűen eloszlik, tömegük pedig hasonló, ami összhangban áll a dinamikus mechanizmussal, amely hatékonyabban köti egymáshoz a nagyjából egyenlő tömegű fekete lyukakat.
Ha a nehezebb fekete lyuk tömege meghaladja a 30 naptömeget, akkor a fekete lyukak forgási sebessége megközelítheti a tömegük által meghatározott elméleti maximumot, és a könnyebb fekete lyuk tömege általában nagyjából fele a nehezebbnek. Ezek a jellemzők egy úgynevezett hierarchikus egyesülésre utalnak – egy olyan dinamikus összeolvadásra, amelyben a nehezebb fekete lyuk maga is egy korábbi egyesülés eredménye. Ebben az esetben a nagyobb fekete lyuk gyorsan forog, mivel az elődeinek pályamozgásából származó szögimpulzust örökölt.
Modellek és valószínűségek
A statisztikai elemzések során különböző megközelítéseket alkalmaztak. Banagiri, Paul Lasky és Monashi kollégáik a fekete lyukak típusainak számát változóként kezelték, és bayesi statisztikát alkalmaztak annak kimutatására, hogy az adatok három típust támasztanak alá, és nem többet, amint arról a hónap elején a Physical Review Letters folyóiratban beszámoltak. Sylvia Biscoveanu, a Princetoni Egyetem asztrofizikusa és kollégái hasonló megközelítést alkalmaztak az arXiv preprint-szerverre feltöltött tanulmányukban. Ezzel szemben Anarya Ray, Kalogera és a Northwesterni kollégáik abból indultak ki, hogy háromféle feketelyuk-pár létezik, majd kimutatták, hogy az adatok illeszkedéséhez mindháromnak léteznie kel, erről a The Astrophysical Journal Letters folyóiratban rövidesen megjelenő tanulmányukban számolnak be.
A kutatók arra figyelmeztetnek, hogy a vizsgált mindössze 300 összeolvadás alapján levont következtetések még csak előzetesek.
„Ez a terület jelenleg nagyon zajos időszakot él át, szó szerint és átvitt értelemben egyaránt”
– mondja Ray. Ahogy egyre több adat érkezik – és ahogy még nagyobb, érzékenyebb gravitációshullám-detektorokat építenek –, a feketelyuk-párok típusai változhatnak és megsokszorozódhatnak. „Fogadni mernék rá, hogy a természet ezek valamilyen kombinációját használja, de nem tennék fel nagy összeget arra, hogy máris megtaláltuk a pontos választ” – mondja Thomas Callister, a Williams College gravitációshullám-csillagásza.
Ahhoz, hogy biztosabbak legyünk a kérdésben, másfajta adatokra is szükség lesz, mondja Maya Fishbach, a Torontói Egyetem asztrofizikusa. „A nagy tömegű csillagok, a kettőscsillagok, a csillaghalmazokban lévő csillagok, valamint az ezeket a fekete lyukakat létrehozó szupernóvák megfigyeléseihez kell fordulnunk. Mindezeknek egy koherens képet kell alkotniuk” – mondja.
Ha a feketelyuk-párok valóban többféle módon és több helyen is kialakulnak, akkor ezek összeolvadásai ablakként szolgálhatnak a kozmosz ezen zugaiba, jegyzi meg Holz. Ez a kilátás enyhítheti a teoretikusok csalódását, hogy eredeti sejtésük az egyetlen domináns mechanizmusról nem bizonyult helytállónak. „Az ember mindig azt szeretné, ha a saját modellje nyerne és mindent megmagyarázna, de valójában az egész tudományos közösség számára sokkal jobb, ha van egy kis zavar, mert így sokkal többet tanulunk” – mondja a kutató.
