Egy fekete lyukak közötti összeolvadás az Univerzum egyik legenergikusabb, legnagyobb tömegű és legkülönösebb eseménye. A folyamat során két fekete lyuk egyre szűkebb pályán kering egymás körül, míg végül egyetlen, jóval nagyobb tömegű fekete lyukká olvadnak össze. Az ütközés neutrínókat, felhevült gázokból származó fotonokat és – ahogyan azt mára pontosan tudjuk – gravitációs hullámokat bocsát ki, amelyek segítségével részletesen feltárható a találkozásban részt vevő két objektum története.
A legutóbbi gravitációshullám-észlelések már több száz ilyen egyesülés nyomát mutatják a kozmoszban. Sok közülük valószínűleg olyan fekete lyukak ütközéséből származik, amelyek hatalmas csillagok szupernóva-robbanása során keletkeztek. Ez az a klasszikus kép, amit a szupernagy tömegű csillagok haláláról tanulunk – a csillagtömegű fekete lyukak születése. De mi történik velük ezután? Ezek a kisebb fekete lyukak újra egyesülhetnek, létrehozva egy még nagyobb tömegű társat, és a folyamat akár többször is megismétlődhet, amit a kutatók hierarchikus egyesülésnek neveznek. Mindez legnagyobb valószínűséggel a galaxisok rendkívül zsúfolt vidékein zajlik.
A jelenség igazolására egy kutatócsoport – köztük az MIT szakemberei, Salvatore Vitale és Cailin Plunkett, valamint Thomas Callister és Michael Zevin – a gravitációshullám-adatok mélyére ásott. Plunkett szerint az eredmények igazán beszédesek. „Azt látjuk, hogy ezeknek az egyesülő fekete lyukaknak egy része nem először vesz részt ilyen eseményben” – fogalmazott. „A Világegyetemben a fekete lyukak folyamatosan összeolvadnak. Eddig meglehetősen bizonytalan volt, milyen gyakran lépnek fel ismétlődő egyesülések. Most azonban egyre következetesebb kép rajzolódik ki: a fekete lyukak jelentős hányada ennek a többszöri egyesülési útvonalnak köszönheti létét.”
Első vagy ismételt egyesülés? Amit a fekete lyukak spinje elárul
A fekete lyukak származására utaló legfontosabb nyom a forgásukban, azaz a spinjükben rejlik. Ahogy egy újonnan keletkező csillag körüli anyagkorong rendelkezik perdülettel, úgy a fekete lyukak is forgást mutathatnak. Egy szupernóva-robbanás során, első generációsként létrejövő fekete lyuk azonban jellemzően alig forog. Ennek oka, hogy a csillag a halálakor tömegének és saját forgási lendületének nagy részét elveszíti, így a visszamaradó fekete lyuk sem rendelkezik számottevő spinnel.
Amikor viszont két fekete lyuk összeolvad, a kép drámaian megváltozik. Vitale szerint egy ilyen második generációs fekete lyuk jóval nagyobb forgási energiát hordoz. „A maximálisan lehetséges spin mintegy 70 százalékával forognának, ami kifejezetten gyors” – mutatott rá. Ez a pörgés egyértelműen jelzi, hogy az objektum két kisebb fekete lyuk ütközéséből született. Ha tehát a csillagászok egy összeolvadáshoz közeledő párt vizsgálnak, és az egyik tag spinje lényegesen nagyobb, mint társáé, akkor nagy valószínűséggel egy olyan rendszerrel van dolguk, ahol az egyik résztvevő korábbi egyesülésből származó, második generációs fekete lyuk.
Ez a spinbeli különbség lehetővé teszi, hogy a gravitációshullám-jelekben felismerjék a hierarchikus eredet nyomait. A módszer hasonlít egy kozmikus családfakutatáshoz, ahol a gyors forgású fekete lyukak a korábbi nemzedék leszármazottaiként tűnnek fel. A kutatók számára éppen a forgási adatok elemzése nyitott utat ahhoz, hogy a LIGO-Virgo-KAGRA katalógusban azonosítsák azokat az összeolvadásokat, amelyek nem először következtek be.
Hol zajlanak ezek a hierarchikus egyesülések?
A csillagtömegű fekete lyukak elvileg bárhol létrejöhetnek, ahol szupernagy csillagok szupernóvaként végzik, az ismétlődő összeolvadásokhoz azonban különösen sűrű környezetre van szükség. A hierarchikus egyesülések otthonaival kapcsolatban a figyelem a csillaghalmazokra irányul. Itt a csillagok olyan szorosan zsúfolódnak egymás mellé, hogy a nagy tömegű példányok robbanása után keletkező fekete lyukak tovább keringenek a halmaz belsejében, és gravitációsan befoghatják egymást.
Plunkett magyarázata szerint ezekben a rendkívül sűrű régiókban a fekete lyukak folyamatosan „cikáznak” egymás körül, és az ismétlődő találkozások során újra és újra összeolvadhatnak. A folyamat elvileg a végtelenségig ismétlődhet, éppen azért, mert egy ilyen zsúfolt környezetben egyszerűen tengernyi csillag és fekete lyuk található. Az ilyen halmazok valódi kozmikus olvasztótégelyként működnek, ahol a fekete lyukak tömege lépésről lépésre növekszik.
A hierarchikus összeolvadások helyszínének megértése azért is kulcsfontosságú, mert segít összekapcsolni a gravitációshullám-észleléseket a galaxisok belső dinamikájával. A kutatók szerint a jövőben a pontosabb mérések akár azt is feltárhatják, hogy bizonyos csillagvárosok különösen gazdagok-e ilyen többlépcsős fekete lyuk családfákban, ami végső soron a galaxismagokban rejtőző szupernagy tömegű fekete lyukak növekedésének korai szakaszaira is fényt deríthet.
Az elméleti lehetőségek után a valódi bizonyítékot a GWTC-4.0 adatbázis szolgáltatta. A csapat kifejezetten a hierarchikus egyesülésekre jellemző gravitációshullám-mintázatokat kereste, különös tekintettel az összeolvadást közvetlenül megelőző pillanatokra. Amikor két fekete lyuk összespirálozik, a keringési síkjukban kialakuló korong viselkedése sokat elárul a rendszerről. Ha a spinek nem merőlegesek erre a síkra, a korong jellegzetes billegő mozgásba kezd, ami pontosan mutatja a két fekete lyuk tömegarányát és forgási jellemzőit.
Az adatok elemzése számos olyan egyesülést tárt fel, ahol az orbitális billegés okaként első és második generációs fekete lyukak találkozása valószínűsíthető. Az eredményeket a teljes Univerzumra kivetítve a kutatók arra jutottak, hogy a fekete lyukak ütközéseinek mintegy 14 százaléka már legalább kétszer részt vett hasonló eseményben. Különösen beszédes, hogy a 10 és 30 naptömeg közötti fekete lyukak jellemzően szupernóvából származó, első generációs objektumok, míg a 20 és 40 naptömeg feletti példányok nagy valószínűséggel korábbi összeolvadások termékei, azaz második generációs fekete lyukak.
© s: Image credit: Aurore Simonnet (SSU/EdEon)/LVK/URI
Forrás: Universetoday.com
