Objev gravitace vlny GW231123 a její tajemství
V listopadu 2023 byl pomocí detektorů LIGO zachycen gravitační vlnění (GW231123), které se ukazuje jako výsledek srážky nejhmotnějších černých děr, které kdy byly pozorovány. Tato srážka se odehrála v galaxii vzdálené 7 miliard světelných let, a hmotnosti obou černých děr, spolu s jejich rychlostí rotace, byly překvapivě vysoké. Obě černé díry, které se spojily, mají hmotnosti přibližně 100 a 140krát hmotnost Slunce a navíc se otáčejí velmi rychle. Otázkou bylo, jak je to možné.
Ore Gottlieb z Centra pro počítačovou astrofyziku při Institutu Flatiron a jeho tým nyní objevili odpověď díky počítačovým simulacím. Silná magnetická pole se ukázala jako vysvětlení pro extrémní vlastnosti GW231123.
Vědci si dlouho uvědomovali, že velmi hmotné hvězdy explodují jako supernovy na konci svého života, zejména ve formě takzvané supernovy s ‚dvojitou nestabilitou‘. V tomto procesu z hvězdy nezůstává prakticky nic, ani černá díra.
Proto astronomové vidí jakýsi „prázdný prostor hmot“ (mass gap) v rozmezí hmotností mezi 70 a 140 slunečními hmotnostmi, což je prázdnota, která je vyloučena pro černé díry v důsledku supernov s dvojitou nestabilitou. Jak však mohly být obě černé díry, které vytvořily GW231123, v tomto rozsahu hmotností?
Je možné, že tyto černé díry byly také produkty srážejících se černých děr, které měly původně nižší hmotnost, pod „prázdnotou hmot“. Ale pokud ano, rotace čtyř počátečních černých děr by byla tak chaotická, že by často narušila rotaci nově vzniklé černé díry. Černé díry GW231123 jsou nejrychleji rotující, které byly pozorovány pomocí LIGO, a to až téměř rychlostí světla.
Dvě černé díry této velikosti a rotace jsou neobyčejně málo pravděpodobné, a tak astronomové usoudili, že za tím musí být něco jiného. Díky simulacím Gottlieb a jeho tým zjistili, co se muselo stát.
První simulace zahrnovaly obří hvězdu s 250krát větší hmotností než Slunce během klíčové fáze jejího života, od momentu, kdy začne spalovat vodík, až po okamžik, kdy dojde k jejímu kolapsu do supernovy. Když taková hmotná hvězda dosáhne fáze supernovy, využije dostatek paliva, aby se zhroutila na hmotnost pouze 150krát větší než hmotnost Slunce, což je právě nad „prázdnotou hmot“ a dostatečně velká, aby mohla zanechat po sobě černou díru.
Další sady simulací, které zohlednily magnetická pole, zkoumaly důsledky supernovy. Model začíná s pozůstatky supernovy: oblak zbytečného hvězdného materiálu smíchaného s magnetickými poli a černou dírou v centru. Tyto 3D vizualizace kolapsaru s přímým horizontem a původně slabým magnetickým polem ilustrují evoluci systému. Na začátku kolapsu větry akrečního disku uvolňují velkou část hvězdného pláště, čímž se snižuje hmotnost, která je dostupná pro akreaci na černou díru.
Předtím astronomové předpokládali, že veškerá hmotnost oblaku spadne do nově vzniklé černé díry, což by udělalo konečnou hmotnost černé díry rovnu hmotnosti masivní hvězdy. Ale simulace ukazují něco jiného.
Pokud se však původní hvězda točila rychle, tento oblak vytváří rotující disk, který způsobuje, že černá díra rotuje stále rychleji, jak materiál klesá do propasti. Pokud jsou přítomna magnetická pole, vyvíjejí tlak na disk z fragmentů. Tento tlak může být dostatečně silný, aby vyvrhoval část materiálu z černé díry téměř rychlostí světla.
Tyto výtrysky nakonec snižují většinu materiálu v disku, který poté směřuje do černé díry. Čím silnější jsou magnetická pole, tím větší je tento efekt. V extrémních případech, když jsou magnetická pole velmi silná, může být až polovina původní hmotnosti hvězdy vyvržena z disku černé díry. V případě simulací nakonec magnetická pole vytvořila konečnou černou díru v prostoru s hmotami.
Simulace ukazují vztah mezi hmotností černé díry a její rychlostí rotace. Silná magnetická pole mohou zpomalit černou díru a odvést část její hmoty, což vytváří lehčí, pomaleji rotující černé díry. Slabší pole povolují vznik těžších, rychleji rotujících černých děr. To naznačuje, že černé díry by mohly sledovat vzor, který propojuje jejich hmotnost a rotaci.
