Nebezpečná srážka černých děr, která otřásla relativitou — a vědci konečně rozumějí, jak k tomu došlo
V roce 2023 vědci zaznamenali gravitační vlny ze srážky černých děr, která se zdála být nemožná. Nový výzkum konečně vysvětluje, jak se tato „zakázaná“ černá díra mohla vytvořit a co nás může naučit o těchto extrémních objektech.
Vědci odhalili původ nejmasivnější fúze černých děr, která byla dosud pozorována, a ukázali, jak by mohly vzniknout dva „imposantní“ obry, přestože dlouho předpokládali, že takové objekty by neměly existovat.
Těmto černým dírám se říkalo „zakázané“, protože se myslelo, že hvězdy takové velikosti by se měly rozpadnout v extrémně silných explozích, zanechávajících za sebou žádný zbytek, který by se mohl zhroutit do černé díry.
Nové práce ukazují, že rychle se otáčející, magnetizované hvězdy se mohou zhroutit nečekanými způsoby, což produkuje černé díry uvnitř tohoto zakázaného hmotnostního rozmezí a vytváří podmínky pro kolosální fúzní událost známou jako GW231123.
Tato zjištění také naznačují, že černé díry mohou vznikat efektivněji, než se dosud myslelo, což by mohlo změnit naše porozumění tomu, jak první hvězdy a černé díry ve vesmíru daly vznik dnešním supermasivním černým dírám.
Proč jsou těžké fúze černých děr důležité
Srážky černých děr se staly jedním z nejdůležitějších nástrojů pro porozumění vesmíru. „Fúze černých děr nám umožňují pozorovat vesmír nejen skrze světlo, ale pomocí gravitace — pomocí gravitačních vln, které vznikají deformací prostoru a času, když se černé díry přibližují a fúzují,“ řekl Ore Gottlieb, profesor na Centru pro výpočetní astrofyziku, který vedl tuto práci.
Gravitační vlny nabízejí vzácný pohled do oblastí vesmíru, kde je gravitace tak extrémní, že ani světlo nemůže uniknout. Pouze ze tvaru signálu mohou vědci odvodit hmotnosti a rotace fúzujících objektů a rekonstruovat, jak vznikly.
Tato pozorování testují Einsteinovu teorii obecné relativity v místech, kde jsou její předpovědi nejnáročnější, protože zakřivení prostoru a času kolem fúzujících černých děr tlačí teorii až na její limity.
Nejmasivnější fúze černých děr, jaká byla kdy pozorována
Když detektory zachytily GW231123 v listopadu 2023, astronomové si rychle uvědomili, že se jedná o něco výjimečného. Dva obrovské objekty — přibližně 100 a 130krát hmotnější než Slunce — se spojily více než 2 miliardy světelných let daleko. Překvapením bylo, že černé díry této velikosti spadají do toho, co fyzici nazývají „hmotnostní mezerou,“ tedy rozmezí zhruba 70 až 140 slunečních hmotností, kde se žádné černé díry neočekávaly.
Objekty v tomto rozmezí se obvykle rozpadnou během násilných supernových explozí, nezanechávajíc ničeho za sebou. Přesto GW231123 obsahoval nejen jednu, ale dvě takové objekty — a obě vykazovaly známky extrémního otáčení. Událost zahrnovala „dvě z nejrychleji se otáčejících černých děr, což naznačuje vzácný způsob vzniku masivních a rychle se otáčejících černých děr, o kterých se nemělo předpokládat, že existují,“ dodal Gottlieb.
Řešení nemožného
Gottlieb a jeho kolegové zjistili, že rychlá rotace mění vše. „Ukázali jsme, že pokud hvězda rotuje rychle, vytváří akreční disk kolem nově zrozené černé díry,“ vysvětlil Gottlieb. „Silná magnetická pole generovaná uvnitř tohoto disku mohou vyvolat silné vývody, které vymetou část hvězdného materiálu a zabraňují mu v pádu do černé díry.“ Místo toho, aby mladá černá díra pohltila celý jádro, ztrácí přístup k většině okolní hmoty, když magnetické síly vyžene materiál do vesmíru.
Tento mechanismus snižuje konečnou hmotnost pozůstatku, posouvajíc ji do hmotnostní mezery — oblasti, o které se dříve myslelo, že je nedostupná. „Jako výsledek konečná hmotnost černé díry může být značně snížena, přičemž padá do hmotnostní mezery,“ poznamenal Gottlieb.
Simulace také přirozeně produkovaly spojení mezi hmotností a rotací vznikající černé díry. Silná magnetická pole extrahují úhlový moment, čímž zpomalují černou díru a zároveň vyhazují více hmoty. Slabší pole ponechávají více masivní, rychleji rotující objekt. Tento vztah těsně odpovídá vlastnostem odvozených pro dvě černé díry v GW231123.
Co tyto objevitele znamenají pro gravitaci a kosmickou historii
Extrémní události jako GW231123 posouvají obecnou relativitu k jejímu hranicím. „Obrovské zakřivení prostoru a času testuje obecnou relativitu hluboko v jejím nejextrémnějším silovém režimu, což nám umožňuje testovat, zda zůstanou Einsteinovy rovnice přesné, když je gravitace na svém nejextrémnějším,“ poznamenal Gottlieb.
Pokud se podobné události v raném vesmíru vyskytovaly často, utvářely by růst prvních černých děr. Takové fúze „naznačují, že masivní černé díry se mohou tvořit efektivněji, než stávající hvězdné modely předpovídají,“ dodal Gottlieb. „Toto by ovlivnilo naše porozumění tomu, jak první generace hvězd a černých děr zasely supermasivní černé díry, které dnes pozorujeme v galaxiích.“
Práce týmu naznačuje nový způsob vzniku masivních černých děr a předpovídá specifické vzory, které mohou astronomové hledat. „Naše práce otevírá nové okno do vzniku černých děr v rámci hmotnostní mezery, předpovídající černé díry první generace (bez předchozích fúzí) ve všech hmotnostech,“ uvedl Gottlieb. Budoucí detekce gravitačních vln otestují, zda se korelace hmotnosti a rotace nalezená v simulacích udržuje napříč mnoha událostmi.
„Jak budeme detekovat více masivních dvojic černých děr, budeme schopni testovat předpovídanou korelaci na této populaci,“ dodal Gottlieb. Tyto objevy mohou odhalit, zda je GW231123 kosmickou raritou, nebo prvním jasným znamením skryté populace masivních, rychle rotujících černých děr.
