Мистерия на сблъсъка на гигантите - сливане; наднормено тегло; Черните дупки противоречат
Сливането на черни дупки с „наднормено тегло“ противоречи на настоящите модели
Запис и пъзел едновременно: Астрономите са открили необичайно и уникално досега събитие с гравитационна вълна. Тъй като както началните обекти на това сливане, така и получената черна дупка са по-тежки от всичко, наблюдавано по-рано - и по-тежки от настоящите модели. Със 142 слънчеви маси, обектът, създаден по време на сблъсъка, може да бъде и първата ясно доказана междинна черна дупка.
Сега астрономите са открили десетки сливания на черни дупки с помощта на гравитационни вълни, включително сблъсъци между много неравностойни партньори като черни дупки с различни размери или черна дупка с неутронна звезда. В повечето случаи обаче масата на участващите обекти е същата като тази, характерна за звездните черни дупки. Тези особености, създадени от свръхновите, могат, според сегашната доктрина, да се обединят в максимум 65 слънчеви маси.
GW190521: Bang вместо Tschirp
Но сега детекторите на обсерваториите LIGO и Дева са уловили сигнал на гравитационна вълна, който изглежда нарушава всички правила. Сигналът GW190521, открит на 21 май 2019 г., беше дълъг само около една десета от секундата и включваше четири цикъла на трептене - това съответства на последните две орбити на две черни дупки, преди да се слеят.
Необичайното обаче беше високата интензивност и ниска честота на вибрациите, което показваше сливането на два особено масивни обекта. „Сигналът беше по-малко чуруликане, както обикновено го откриваме, отколкото истински„ взрив “- това е най-масивният сигнал, който LIGO и Дева някога са наблюдавали“, казва Нелсън Кристенсен от френския национален изследователски център CNRS.
По-масивна от всичко преди
От характеристиките на GW190521 изследователите заключават, че тези гравитационни вълни трябва да са дошли от сливането на две особено масивни черни дупки. "По-големият тежеше около 85 слънчеви маси, по-малкият беше по-близо до 66 слънчеви маси," съобщава LIGO сътрудничеството. „Следователно и двете черни дупки са далеч по-масивни от която и да е била открита по-рано от Дева и LIGO.“ Продуктът от това сливане също е огромен гигант: получената черна дупка има около 142 слънчеви маси.
По този начин GW190521 е обединението с най-високата обща маса, наблюдавано някога. Енергията, освободена при този сблъсък, беше съответно голяма: гравитационните вълни имаха енергиен еквивалент на седем слънчеви маси. Това ги направи достатъчно „силни“, за да стигнат до нас дори от огромно разстояние. Сливането на двете черни дупки се е случило преди около седем милиарда години - тогава Вселената е била наполовина по-стара от днешната.
Първи доказателства за междинна черна дупка?
Събитието GW190521 кара физиците да се нуждаят от обяснения в няколко отношения. Защото масата на актьорите му е рекордна, уникална към днешна дата и противоречи на общоприетите теории. „Това събитие поражда повече въпроси, отколкото отговаря“, казва членът на LIGO Алън Уайнстийн от Калифорнийския технологичен институт. "От гледна точка на физиката това е много вълнуващо нещо."
Първият пъзел е черната дупка, която се е образувала по време на сливането: със 142 слънчеви маси, тя се намира в междинната зона между звездните черни дупки и свръхмасивните черни дупки на ядрата на галактиката. Астрономите отдавна подозират, че трябва да има междинни черни дупки, които да запълнят тази празнина от 100 до 100 000 слънчеви маси. Но засега има някои кандидати за този клас - но все още няма ясни доказателства.
„Сега имаме доказателства, че тези междинни черни дупки съществуват“, казва Кристофър Бери от Северозападния университет в Еванстън.
По-трудно, отколкото теорията позволява
Втората загадка е поставена от един от двата предшественика на тази междинна черна дупка: При 85 слънчеви маси тя е в масов диапазон, в който всъщност не може да има звездни черни дупки. Според сегашните модели свръхновите произвеждат черни дупки с максимум 65 слънчеви маси. От друга страна, ако една изходна звезда е по-тежка от 200 слънчеви маси, тя не експлодира, а се срутва директно до черната дупка - това има поне 120 слънчеви маси.
Това означава: в диапазона от 65 до 120 слънчеви маси има празнина, в която не трябва да има черни дупки - астрофизиците наричат това пропаст на нестабилност на двойки. Но точно в тази празнина се крие по-тежкият от двата предшественика на GW190521. „Фактът, че виждаме черна дупка в средата на тази масова пропаст, ще повдигне въпроса на много астрофизици как е могла да възникне такава черна дупка“, казва Кристенсен.
Препратка към йерархично обединяване?
А отговорът? „GW190521 предполага, че звездите могат или да създадат черни дупки, които са толкова тежки, или че някои от черните дупки, наблюдавани от LIGO и Дева, са създадени по различен начин - може би като продукт от предишно сливане“, обяснява сътрудничеството на LIGO. Тогава GW190521 би бил пример за йерархичните сливания, които досега са били постулирани само теоретично - сблъсъци на черни дупки, които сами по себе си също са възникнали от сливанията.
Подобни серии от все по-масивни сливания могат да се случат, когато много звезди, близки една до друга, достигнат края на своя жизнен цикъл и се превърнат в черни дупки чрез свръхнови - например в звездни купове или в плътните центрове на галактиките. Там гравитацията на свръхмасивната черна дупка може почти да задържи тези обекти в плен и по този начин да провокира серийните сливания.
Все още не е ясно как е възникнало събитието с гравитационната вълна GW19052 и как са възникнали неговите актьори. Все още не е изяснен въпросът дали черните дупки от тази маса са космически отклонения или представляват само трудния край на известния досега мас спектър. „Надяваме се, че когато анализираме всички сливания на черни дупки, които LIGO и Дева са наблюдавали в третия си цикъл на наблюдение, ще знаем повече“, казва Карстен Данцман от Института за гравитационна физика Макс Планк (Физически прегледни писма, писма от астрофизичния вестник)
Източник: LIGO Collaboration and Virgo Collaboration, Институт за гравитационна физика Макс Планк