И покрај огромната празнина, универзумот е исполнет со активност во форма на гравитациски бранови. Произведени од огромни астрофизички феномени овие бранови се шират помесувајќи го време-просторот како удари на космички ѕвона. Истражувачи детектирале сигнал од можеби до сега најмасивното спојување на две црни дупки набљудувано во форма на гравитациски бранови. Производот на ова спојување е првата чиста детекција на црна дупка со маса меѓу 100 и 1000 пати онаа на Сонцето.
Детектираниот сигнал означен како GW190521 бил откриен со „Обсерваторијата за гравитациски бранови – ласерски интеферометар“ (LIGO) на Националната фондација за наука при САД која претставува пар на идентични четири километарски интеферометри и „Вирго“ три километарски детектор во Италија.
Заслуги: LIGO/Caltech/MIT/R. Hurt (IPAC)
Сигналот во форма на четири кратки осцилации бил екстремно краток, траејќи помалку од една десетина од секундата. Од она што истражувачите може да го увидат тој бил генериран од извор оддалечен околу 5 гигапарсеци во времето кога универзумот бил помлад за половина одошто е денес.
Врз основа на најнови пресметковни и моделирачки алатки научниците сметаат дека најверојатно сигналот е генериран од спојување на две црни дупки со невообичаени карактеристики.
Скоро секој досега детектиран гравитациски бран бил резултат на спојување во бинарен систем на црни дупки или неутронски ѕвезди. Најновото спојување е досега најмасивно и вклучува две црни дупки со маси околу 85 и 66 пати од онаа на Сонцето. Тимот исто така ги измерил и спиновите на црните дупки и открил дека во нивното константно доближување тие можно е да се вртеле околу своите оски под агол кој не бил порамнет со оската на нивната орбита. Ова невоедначено вртење најверојатно предизвикално нивнтие орбити да осцилираат. Новиот сигнал најверојатно доаѓа од моментот на спојувањето од кое настанала уште помасивна црна дупка со околу 142 сончеви маси ослободувајки огромно количество на енергија еквивалентно на 8 сончеви маси во форма на гравитациски бранови. Според Нелсон Кристиенсен од тимот на „Вирго“ ова е најмасивниот сигнал досега виден од овие два детектори. Интернационалниот тим на научници кои се дел од соработката известиле за своето откритие во два труда објавени во Physical Review Letters и The Astrophysical Journal Letters.
„LIGO повторно не изненадува не само со детекцијата на црни дупки со големини кои е тешко да се објаснат, но и со користењето на техники кои не биле дизајнирани специфично за детекција на ѕвездени спојувања“ вели Педро Мронети, програмскиот директор за гравитациона физика при Националната фондација за наука. „Ова е од огромна важност бидејки ја покажува способноста на инструментот да детектира сигнали од комплетно непредвидени астрофизички настани. LIGO покажува дека може да го набљудува неочекуваното.“
Уникатно големите маси на двете црни дупки како и финалната црна дупка покренаа многу прашања околу нивната формација.
Сите црни дупки откриени до сега спаѓаат во две категории: црини дупки со ѕвездена маса – кои се од неколку до десетици сончеви маси кои се смета дека настануваат кога умираат масивните ѕвезди и супермасивните црни дупки како онаа во центарот на Млечниот Пат кои се со маса стотици илјади до милијарда пати онаа на Сонцето.
Сепак финалната маса од 142 сончеви маси произведена од ова спојување лежи помеѓу ѕвездените и супермасивните црни дупки – прва од овој вид детектирана. Двете црни дупки од кои настанала оваа црна дупка исто така се уникатни според својата големина. Тие се толку масивни што научниците сметаат дека една од нив можеби не настанала од ѕвезда која колабирала.
Според физиката на ѕвездената еволуција притисокот кон надвор создаден од фотоните и гасот во ѕвезденото јадро може да ја поддржи наспроти силата на гравитацијата која бутка навнатре, стабилизирајки ја. Одкога јадрото на ѕвездата ќе започне со фузија на елементи тешки колку железото повеќе не може да произведе доволно голем притисок за да ги поддржи надворешните слоеви. Кога овој притисок кон надвор е помал од гравитацијата ѕвездата колабира под својата тежина во експлозија наречена супернови со колабирачко јадро која може да остави зад себе црна дупка.
Овој процес може да објасни како ѕвездите со 130 сончеви маси може да произведат црни дупки што се до 65 сончеви маси. Но кај потешките ѕвезди доаѓа до еден феномен наречен „парна нестабилност“. Кога фотоните на јадрото стануваат екстремно енергични тие може да се трансформираат во пар од електрон и анти-електрон. Овие парови генерираат помалку притисок од фотоните што предизвикува ѕвездата да стане нестабилна во однос на гравитациониот колапс при што доаѓа до експлозија доволно силна да не остави ништо зад себе. Дури помасивните ѕвезди со над 200 сончеви маси евентуално би колабирале дирекно во црна дупка со околу 120 сончеви маси. Според ова една ѕвезда не би можело да произведе црна дупка со маса помеѓу 65 и 120 сончеви маси – опсег наречен „празнина во масата заради парна нестабилност“.
Но, потешката од двете црни дупки во ова спојување е со маса од 85 сончеви маси. „Фактот што гледаме црна дупка во оваа празнина во масата ќе предизвика многу астрофизичари да си ја почешаат главата обидувајки се да одредат како овие црни дупки настанале“ вели Криестиенсен, кој е директорот на Лабораторијата Артемида во Ница, Франција. Една можност е да станува збор за хиерархиско спојување каде двете црни дупки самите се формирале со спојвуање на две помали црни дупки пред да мигрираат заедно.
„Овој настан отвара повеќе прашања отколку што затвора“ вели Алан Вејнштејн од LIGO, професор по физика на Caltech. „Од преспективата на откритијата и физиката е многу возбудливо нешто.“
Има многу неодговорени прашања околу GW190521. Додека LIGO и Virgo чекаат нови гравитациони бранови кои ќе минат низ Земјата, автоматизирани претраги ги прочешлуваат податоците барајки интересни сигнали. Овие потраги користат два различни методи – алгоритми кои ги наоѓаат специфичните шеми на бранови во податоците кои може да се произведени од компактни бинарни системи и погенералните рафални потраги каде се бара било што надвор од вообичаеното.
Во овој случај сигналот бил откриен почисто при рафална потрага при што има многу мал простор за сомнеж дека гравитационите бранови потекнуваат од нешто друго освен бинарно спојување.
Но, што доколку нешто ново ги произвело овие гравитациони бранови? Ова е интересна размисла која на која научниците кратко се осврнуваат во својот труд. На пример, можеби тие потекнуваат од колабирачка ѕвезда во нашата галаксија. Сигнало исто така би можел да биде и од космичка врвка произведена веднаш по инфлацијата на универзумот во неговите најрани моменти – иако ниедна од овие егзотични можности не одговара на податоците толку добро како бинарното спојување.
„Од кога го вклучивме LIGO се што имаме набљудувано со сигурност може да кажеме дека е спој на две црни дупки или неутронски ѕвезди“ вели Вајнштајн. „Ова е единствениот настан каде нашата анализа дозволува можност да тоа не е потеклото. Иако овој настан е конзистентен со спој на две невообичаено големи црни дупки и останатите објаснувања се неприфатени, тој се наоѓа на границите на нашата доверба. Тоа потенцијално го прави екстремно возбудлив. Бидејки сите ние се надеваме на нешто ново, нешто неочекувано кое може да го предизвика она што веќе го имаме научено. Овој настан го има потенцијалот да го стори тоа.“
Превод: Максим Осман-Николов
Извор: www.phys.org
