Štandardný model čiernych dier je v ohrození, analýza 150 zrážok odhaľuje realitu

Ešte donedávna sa v astrofyzike predpokladalo, že väčšina zrážok čiernych dier má v zásade rovnaký pôvod. Masívne hviezdy skolabujú, vytvoria čierne diery a tie sa po miliardách rokov v binárnych systémoch zrazia.

Nová analýza gravitačných vĺn však naznačuje, že realita je podstatne zložitejšia a že vesmír produkuje čierne diery viacerými paralelnými mechanizmami, upozorňuje Interesting Engineering.

Nie všetky dáta súhlasia

Vedci pracujúci s dátami z kolaborácie LIGO-Virgo-KAGRA Collaboration analyzovali najnovší katalóg detekcií označovaný ako GWTC-4, ktorý obsahuje viac než 150 potvrdených splynutí čiernych dier.

Práve rastúci objem týchto dát začal odhaľovať problémy so štandardným modelom. Ak by totiž všetky tieto systémy vznikali rovnakým procesom, ich fyzikálne vlastnosti, najmä hmotnosti a rotácie, by vytvárali plynulé rozdelenie. Namiesto toho sa v dátach objavili výrazné „zhluky“ a diskontinuity.

Najvýraznejšie sa to ukázalo pri hmotnostiach. Jedna populácia sa koncentruje okolo približne desiatich hmotností Slnka, ďalšia okolo 35-násobku hmotnosti Slnka. Zároveň sa mení aj charakter rotácie čiernych dier, najmä v oblastiach okolo 20 a 40 slnečných hmôt. Takéto anomálie naznačujú, že za vznikom týchto objektov stoja odlišné fyzikálne scenáre.

Aby to vedci otestovali, vytvorili simulácie, v ktorých kombinovali viacero hypotetických populácií čiernych dier. Menili parametre ako hmotnosť, zarovnanie spinov či frekvenciu zrážok, až kým simulované výsledky nezačali zodpovedať reálnym pozorovaniam. Najlepší súlad nevznikol pri jedinom modeli, ale pri kombinácii troch odlišných „rodín“.

Najväčšia skupina, ktorá predstavuje približne štyri pätiny všetkých detegovaných udalostí, vykazuje relatívne „čisté“ správanie. Čierne diery v týchto systémoch rotujú pomaly a ich rotačné osi sú zarovnané s orbitálnym pohybom.

Takýto obraz veľmi dobre zodpovedá scenáru izolovaných binárnych hviezd. Dve hviezdy vzniknú spoločne, prechádzajú spoločným vývojom, vymieňajú si hmotu a napokon skolabujú do čiernych dier, ktoré sa bez výrazného rušenia zlúčia.

Nevyvážené hmotnosti najmenšej skupiny

Druhá skupina, ktorá tvorí približne pätnásť percent prípadov, už pôsobí podstatne chaotickejšie. Hmotnosti čiernych dier sú síce podobné, no ich rotácie nie sú dokonale zarovnané a systémy vykazujú výraznejšie precesie.

To naznačuje vznik v hustých prostrediach, akými sú guľové hviezdokopy. V týchto regiónoch dochádza k častým gravitačným interakciám, ktoré môžu pôvodné binárne systémy rozbíjať a opätovne skladať. Výsledkom sú páry čiernych dier s náhodnejšími orientáciami spinov.

Najmenšia, no zároveň najzaujímavejšia skupina predstavuje len niekoľko percent prípadov a zahŕňa najhmotnejšie systémy. Tu sa objavujú výrazne nevyvážené hmotnosti, silná precesia a komplexné rotačné vzory.

Mark Myers, ARC Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav)

Najpravdepodobnejším vysvetlením sú hierarchické zrážky. Aspoň jedna z čiernych dier v takomto systéme totiž už vznikla pri predchádzajúcej kolízii. Ide teda o „recyklované“ objekty, ktoré rastú postupným spájaním.

Tento obraz zásadne mení pohľad na evolúciu hviezd aj samotných čiernych dier. V klasických modeloch, ktoré sa opierajú o vývoj masívnych hviezd, sa predpokladalo relatívne jednoduché rozdelenie hmotností. Nové dáta však naznačujú, že významnú úlohu zohrávajú aj dynamické procesy v hustých hviezdnych systémoch a opakované zrážky.

Z fyzikálneho hľadiska ide o dôležitý posun. Hmotnostné rozdelenie čiernych dier je totiž úzko prepojené s procesmi ako párová nestabilita supernov, ktorá by mala vytvárať tzv. „hmotnostnú medzeru“ približne medzi 50 až 120 hmotnosťami Slnka. Prítomnosť objektov na okraji alebo dokonca v tejto oblasti môže byť práve dôsledkom hierarchických zrážok, ktoré obchádzajú limity klasickej hviezdnej evolúcie.

Napriek presvedčivým štatistickým výsledkom však vedci upozorňujú, že priame priradenie každej skupiny ku konkrétnemu mechanizmu zatiaľ nie je jednoznačné. Reálne astrofyzikálne prostredia sú extrémne komplexné a jednotlivé procesy sa môžu prekrývať. Napríklad aj systémy vzniknuté v izolovaných dvojhviezdach môžu byť neskôr ovplyvnené dynamickými interakciami.

Čítajte viac z kategórie: Novinky