Fiziki so pred desetletjem prvič zaznali drobne valove, ki se širijo skozi prostor in ju je povzročil par črnih lukenj, ko sta se pri trku, ki je pretresel kozmos, drsili drug proti drugemu. Zdaj smo morda končno bližje razrešitvi uganke, ki strokovnjakom od takrat povzroča preglavice: kako nastajajo ti pari črnih lukenj? Observatorij za gravitacijske valove z laserskim interferometrom LIGO, katerega dva velikanska optična objekta stojita v zveznih državah Louisiana in Washington, ter detektor Virgo v Italiji so zaznali več kot 300 takih zlitij. Statistične raziskave podatkov v zadnjih mesecih so pokazale, da se pari črnih lukenj v nasprotju z izvirnimi pričakovanji uvrščajo v tri vrste in da nastajajo na tri različne načine.
»Še pred dvema letoma nismo imeli koherentne slike dogajanja. Zdaj se stvari začenjajo postavljati na svoje mesto,« pravi Vicky Kalogera, astrofizičarka z Univerze Northwestern in avtorica ene od novih študij. Daniel Holz, teoretični astrofizik z Univerze v Chicagu, ki v raziskavah ni sodeloval, meni, da rezultati potrjujejo moč statističnih metod, s katerimi je mogoče razkriti »podpopulacije« zlitij, čeprav je skoraj vsako zlitje izmerjeno preveč nenatančno, da bi ga bilo mogoče samostojno uvrstiti v kategorijo.
Kozmična koreografija
Črna luknja je izjemno močno gravitacijsko polje, ki ostane, ko se jedro masivne zvezde sesede v izjemno majhen del prostora. Ko se dve črni luknji združita v par in drvita druga proti drugi s pomembnim deležem svetlobne hitrosti, oddajata spiralne gravitacijske valove. LIGO in Virgo, ki merita prehodna raztegovanja in krčenja prostora, te valove zaznavata kot kratke nihajne signale, katerih frekvenca in amplituda naraščata, preden pride do dejanskega zlitja črnih lukenj.
Pred rezultati LIGO so teoretični fiziki menili, da sta verjetna dva splošna načina, kako lahko črni luknji tvorita par. Lahko nastaneta iz dveh zvezd, ki sta nastali iz istega vrtinčastega oblaka plina in krožili druga okoli druge – to so t. i. »dvojčki iz polja« (field binaries). Ali pa se oblikujeta ločeno in se nato združita v gravitacijski interakciji, med katero je iz sistema izvržen tretji objekt. Najverjetnejši prizorišči takih dinamičnih zlitij so goste zvezdne kopice, bogate s črnimi luknjami.
Za razlikovanje med posameznimi vrstami nastanka parov so raziskovalci LIGO in Virgo – ter njihovi japonski kolegi iz detektorja gravitacijskih valov Kamioka (KAGRA) – preučevali smer vrtenja črnih lukenj.
Črni luknji iz dvojčka iz polja se morata vrteti v isto smer, ko krožita druga okoli druge. Ko pa se črni luknji združita šele po tem, ko sta se oblikovali, je smer njunega vrtenja naključna.
Izpeljava smeri vrtenja črnih lukenj iz signalov gravitacijskih valov ni preprosta naloga. Če se objekta vrtita približno v isto smer, vrtilna količina zaradi vrtenja podaljša signal valov. Če sta smeri vrtenja približno nasprotni, bo signal krajši. Če pa vrtilni osi ležita v ravnini kroženja, lahko ravnina precesira, torej se zaziba, kar lahko povzroči nestabilnost signala.
Nov katalog
Sploh se ni zdelo gotovo, da oba mehanizma tvorita pare v podobnem tempu, zato so strokovnjaki domnevali, da bo prevladoval en ali drug mehanizem, pravi Sharan Banagiri, astrofizik gravitacijskih valov z Univerze Monash. Ta teorija se je nato izkazala za očitno napačno, nadaljuje strokovnjak.
Ko so zaznavali zaporedne dogodke, se ni pokazal jasen vzorec. Hkrati so teoretični fiziki ugotovili, da je signale mogoče razlagati manj nedvoumno, kot so sprva mislili. Pari, ki dinamično nastajajo v disku okoli supermasivne črne luknje v središču galaksije, se utegnejo vrteti v isto smer in tako posnemati dvojčke iz polja. V dvojčkih iz polja pa lahko eksplozija supernove, ki prvo zvezdo spremeni v črno luknjo, drastično spremeni smer osi in vrtenje druge zvezde.
Najnovejše statistične analize javnih podatkov LIGO-Virgo-KAGRA kažejo, da se pari črnih lukenj uvrščajo vsaj v tri vrste.
Pri parih z majhno maso – pri katerih je masa večje črne luknje manjša od približno 10 sončnih mas – je vrtilna os praviloma vzporedna z osjo tira, masi pa nista nujno enaki, kar je skladno z nastankom iz dvojčka iz polja. Če je masa težje črne luknje med 10 in 30 sončnih mas, je vrtenje parov praviloma naključno porazdeljeno, masi pa sta podobni, kar je skladno z dinamičnim mehanizmom, ki učinkoviteje veže črni luknji približno enake mase.
Če masa težje črne luknje presega 30 sončnih mas, lahko hitrost vrtenja črnih lukenj doseže teoretični maksimum, ki ga določa njuna masa, masa lažje črne luknje pa je praviloma približno polovica mase težje. Te značilnosti kažejo na t. i. hierarhično zlitje – dinamično zlitje, pri katerem je težja črna luknja sama rezultat prejšnjega zlitja. V tem primeru se večja črna luknja hitro vrti, ker je podedovala vrtilno količino iz tirnega gibanja svojih predhodnic.
Modeli in verjetnosti
Pri statističnih analizah so uporabili različne pristope. Banagiri, Paul Lasky in njuni kolegi z Monasha so število vrst črnih lukenj obravnavali kot spremenljivko in z bayesovo statistiko pokazali, da podatki podpirajo tri vrste in ne več, kot so v začetku meseca v reviji Physical Review Letters poročali. Sylvia Biscoveanu, astrofizičarka z Univerze Princeton, in njeni kolegi so podoben pristop uporabili v študiji, naloženi na strežnik za preprinte arXiv, ki je dostopna tukaj. Nasprotno so Anarya Ray, Kalogera in njuni kolegi z Northwesterna izhajali iz predpostavke, da obstajajo tri vrste parov črnih lukenj, nato pa pokazali, da morajo za ujemanje s podatki obstajati vse tri, o čemer v študiji, ki bo kmalu izšla v reviji The Astrophysical Journal Letters, poročajo.
Raziskovalci opozarjajo, da so sklepi, izpeljani iz zgolj 300 preučenih zlitij, še začasni.
»To področje trenutno doživlja zelo hrupno obdobje, dobesedno in preneseno«
– pravi Ray. Z več podatki – in z gradnjo še večjih, občutljivejših detektorjev gravitacijskih valov – se lahko vrste parov črnih lukenj spremenijo in namnožijo. »Stavil bi, da narava uporablja neko kombinacijo teh, a ne bi stavil velike vsote na to, da smo že našli natančen odgovor,« pravi Thomas Callister, astronom gravitacijskih valov z Williams Collegea.
Da bi bili glede tega gotovejši, bodo potrebni tudi drugačni podatki, pravi Maya Fishbach, astrofizičarka z Univerze v Torontu. »Obrniti se moramo k opazovanjem masivnih zvezd, dvojnih zvezd, zvezd v zvezdnih kopicah in supernov, ki te črne luknje ustvarjajo. Vse to mora sestaviti koherentno sliko,« pravi.
Če se pari črnih lukenj res oblikujejo na več načinov in na več mestih, so lahko njihova zlitja okno v te kotičke kozmosa, pripomni Holz. Ta obet lahko omili razočaranje teoretikov, da njihova prvotna domneva o enem samem prevladujočem mehanizmu ni bila pravilna. »Človek si vedno želi, da bi zmagal njegov model in vse razložil, a za celotno znanstveno skupnost je v resnici veliko bolje, če je nekaj zmede, ker se tako naučimo veliko več,« pravi raziskovalec.
