Pričakovana črna luknja in dve, ki ne bi smeli obstajati

Znanstveniki so odkrili nov tip črne luknje. Po dolgih letih iskanja so končno našli vmesni člen med zvezdnimi in supermasivnimi črnimi luknjami. Prelomno odkritje pa je prineslo tudi nekaj presenečenj, ki so zamajala trenutno razumevanje zvezd.

Lanskega maja so znanstveniki zaznali trk dveh črnih lukenj. Dogodek, ki so ga po dnevu odkritja poimenovali GW190521, v marsičem podira rekorde. Trčili sta črni luknji z masama 66 in 80 mas Sonca. Po trku sta se zlili v večjo črno luknjo z maso okoli 142 mas Sonca, pri čemer se je sprostilo ogromno energije. GW190521 je najmočnejša eksplozija po velikem poku in najbolj oddaljen trk, kar smo jih doslej opazili. Vse te številke so občudovanja vredne, hkrati pa med astrofiziki vzbujajo kar nekaj vprašanj in nelagodja.


 

Družina črnih lukenj

Ko se na majhnem prostoru znajde ogromno snovi, se prostor sesede sam vase v črno luknjo. Na primer: Zemlja bi postala črna luknja, če bi jo stisnili na velikost žogice za namizni tenis. Črne luknje so ene izmed bolj čudnih objektov v vesolju; nimajo površine, tako kot planet ali zvezda, sila gravitacije v njihovi bližini pa je tako velika, da njenemu privlaku ne more uiti niti svetloba, zato jih ne moremo videti. A čeprav so nevidne, jih lahko odkrijemo posredno, saj s svojo gravitacijo vplivajo na obnašanje okoliških zvezd in plina.

Do zdaj smo poznali dva razreda črnih lukenj: eksplozivne smrti masivnih zvezd pustijo za seboj črne luknje z maso do petdeset mas Sonca in jih pogosto imenujemo kar zvezdne črne luknje. S trki med zvezdnimi črnimi luknjami lahko nastanejo masivnejše, a doslej nismo našli takšne, ki bi presegla osemdeset mas Sonca. Na drugi strani imamo supermasivne črne luknje, ki so v središčih večine galaksij. Njihove mase dosegajo vrtoglave vrednosti od sto tisoč do več milijard mas Sonca.

Na novo rojena črna luknja s 142 masami Sonca predstavlja vmesni člen med zvezdnimi in supermasivnimi. Znanstveniki so o obstoju takšnih lukenj ugiba­li že dalj časa. Zaenkrat namreč še nimamo pravega odgovora na vprašanje, kako nastanejo supermasivne črne luknje. Ena izmed hipotez pravi, da z zaporednimi trki vedno masivnejših črnih lukenj. Odkritje vmesnega člena daje slutiti, da bi ta scenarij lahko vsaj deloma pojasnil njihov obstoj.
 

Skrivnost masivnega dvojca

Znanstvena skupnost je pozdravila odkritje vmesnega člena. A še večjo pozornost sta dobili črni luknji, ki sta trčili. Nihče namreč ne zna zatrdno pojasniti njune velike mase. Zvezde se rodijo različno velike; od njihove mase je odvisno, kako hitro in na kakšen način bodo končale življenje. Zvezde z maso več deset mas Sonca eksplodirajo kot supernove in za seboj pustijo črno luknjo. V splošnem velja, da masivnejša zvezda ustvari masivnejšo črno luknjo. Vendar to ne gre v nedogled. Masivne zvezde dosegajo v središču izjemno visoke temperature. Če je temperatura previsoka, je eksplozija tako silovita, da od zvezde ne ostane nič več. Računi pokažejo, da zvezdne črne luknje preprosto ne morejo imeti mase, večje od 50 mas Sonca. Kako torej pojasniti črni luknji z masama 66 in 80 mas Sonca?

Naše znanje o evoluciji zvezd ni popolno. Mogoče moramo teoretične modele prilagoditi in vanje vključiti procese, ki jih prej nismo upoštevali. A razhajanje je vseeno tako veliko, da je to malo verjetno. Morda črni luknji nista zvezdni, temveč sta sami nastali s trki manjših črnih lukenj. Pojavljajo se tudi bolj ustvarjalne ideje. Sta se luknji hranili s snovjo v okolici supermasivne črne luknje? Ali pa gre za prvobitni črni luknji, ki sta nastali kmalu po velikem poku? Verjetno bo za rešitev uganke treba najti več podobnih trkov. Glede na to, da odkrijemo veliko trkov, nam ne bo treba čakati dolgo.
 

Valovanje v tkanini prostora-časa

Trke med črnimi luknjami iščemo na prav poseben način. Pri trku med takšnimi masivnimi objekti nastanejo gravitacijski valovi, ki potujejo po vesolju. V nasprotju s svetlobo, ki je ravno tako valovanje, gravitacijski valovi ne potujejo skozi prostor, temveč predstavljajo valovanje prostora samega. Ko se Zemlja znajde na poti gravitacijskega vala, se celoten planet skupaj z valom krči in razteza. V vsakodnevnem življenju tega pojava ne opazimo, saj gre za izredno majhne spremembe. A znanstveniki so zgradili observatorije, ki valovanje prostora lahko zaznajo.

Trenutno so na svetu trije polno delujoči detektorji gravitacijskih valov: dva detektorja LIGO v Združenih državah in detektor Virgo v Italiji. Vsakega sestavljata dve več kilometrov dolgi pravokotni si cevi, po katerih potuje svetloba laserja. Z laserjem lahko izredno natančno merimo spremembo razdalje v ceveh. Ko gravitacijski val potuje prek Zemlje, se razdalja med koncema cevi malenkost spremeni, kar lahko zabeležimo.

Dogodek GW190521 je trajal le delček sekunde, a znanstvenikom je iz signala uspelo izluščiti veliko informacij. Lastnosti, kot so mase črnih lukenj, orientacija vrtenja v prostoru in razdalja do trka, so zapisane v gravitacijskem valu. Zahvaliti se moramo izredno naprednim in prefinjenim teoretičnim izračunom na eni strani in inženirskemu znanju na drugi, da lahko vrednosti teh količin razberemo iz signala.
 

Številna odkritja in presenečenja

Pred petimi leti nismo zagotovo vedeli, ali bomo sploh kdaj zaznali gravitacijske valove. Leta 2015 pa je observatorij LIGO detektiral prvi trk črnih lukenj in od takrat se odmevna odkritja kar vrstijo. Pred kratkim je znanstvenike presenetila črna luknja z zelo majhno maso. Med desetinami trkov se najdejo tudi trki med črnimi luk­njami in nevtronskimi zvezdami ter trki med dvema nevtronskima zvezdama.

Številna odkritja potrjujejo naše domneve o vesolju, tako kot najdba črne luknje z več kot sto masami Sonca. Zaupanje v razumevanje vesolja se z vsakim takšnim uspehom krepi. A vsake toliko časa nas vesolje še vedno preseneti in uči, da moramo pokazati nekaj ponižnosti do njegovih skrivnosti. In se še naprej učiti. Zdaj morajo znanstveniki razmisliti, kako bi tako masivne zvezdne črne luknje lahko nastale. Je razlog zapleten in nov mehanizem ali mogoče kaj škriplje v trenutni teoriji evolucije zvezd? V bližnji prihodnosti vsekakor lahko pričakujemo številne nove ideje.

Trenutno gravitacijski detektorji počivajo. Ko bodo prihodnje leto spet začeli iskati gravitacijske valove, v boljši in še bolj občutljivi preobleki, bodo verjetno našli še več trkov, kot je GW190521. Z več informacijami bomo lahko večino predlaganih idej ovrgli. Preživele bodo tiste, ki uspešno opišejo opazovanja. In tako naše znanje počasi, a vztrajno raste.
---
Dr. Jure Japelj je doktoriral na Univerzi v Ljubljani in raziskuje na področju astrofizike