Naukowcy rozwiązali zagadkę najbardziej masywnego połączenia czarnych dziur, jakie kiedykolwiek odkryto, ujawniając, jak powstały dwie „niemożliwe” czarne dziury pomimo wieloletnich założeń, że gwiazdy tej wielkości nie powinny istnieć. Zderzenie, oznaczone jako GW231123, obejmowało dwie czarne dziury o masach około 100 i 130 mas Słońca – wpadające w coś, co wcześniej uważano za „lukę masową”, w której czarne dziury nie powinny istnieć.
Problem niemożliwych czarnych dziur
Przez dziesięciolecia astronomowie wierzyli, że gwiazdy wystarczająco duże, aby utworzyć czarne dziury tej wielkości, eksplodują jako supernowe, nie pozostawiając po sobie żadnej pozostałości, która mogłaby zapaść się w czarną dziurę. Odkrycie GW231123 podważyło tę wiedzę, ponieważ dotyczyło dwóch takich „zakazanych” obiektów obracających się z ekstremalnymi prędkościami. To zrodziło pytanie: jak mogłyby powstać te czarne dziury, gdyby nie miały istnieć?
Rola szybkiego obrotu i magnetyzmu
Przełom nastąpił dzięki szczegółowym symulacjom, które uwzględniały szybko rotujące, silnie namagnesowane gwiazdy. Naukowcy odkryli, że gdy te gwiazdy zapadają się, silne pola magnetyczne wewnątrz jądra tworzą potężne wyrzuty, wyrzucając większość materii gwiazdowej, zanim zdąży ona wpaść do tworzącej się czarnej dziury. Proces ten zmniejsza masę końcową, wpychając ją w niedostępną wcześniej szczelinę masową.
“Wykazaliśmy, że jeśli gwiazda obraca się szybko, wokół nowo utworzonej czarnej dziury tworzy się dysk akrecyjny. Silne pola magnetyczne generowane w tym dysku mogą powodować potężne wyrzuty, które wyrzucają część materii gwiezdnej, zapobiegając jej wpadnięciu do czarnej dziury.” — Ore Gottlieb, Centrum Astrofizyki Obliczeniowej.
Symulacja powiązała także końcową masę i spin czarnej dziury z siłą jej pola magnetycznego. Silniejsze pola wyrzucają więcej materiału, w wyniku czego powstaje mniej masywny, wolno obracający się relikt. Słabsze pola pozwalają na uwięzienie większej masy, tworząc cięższe, szybciej wirujące czarne dziury. Właściwości wywnioskowane z GW231123 doskonale pasują do tego modelu, sugerując, że jedna czarna dziura powstała w gwieździe o umiarkowanym magnetyzmie, podczas gdy druga pochodziła ze słabszego pola.
Implikacje dla grawitacji i historii kosmosu
To odkrycie ma głębokie implikacje. Ekstremalne zdarzenia, takie jak GW231123, wypychają teorię względności Einsteina do jej granic, zapewniając poligon doświadczalny dla tej teorii w najbardziej ekstremalnych środowiskach grawitacyjnych. Możliwość obserwacji takich połączeń poprzez fale grawitacyjne – zmarszczki w czasoprzestrzeni – otwiera wyjątkowe okno na wszechświat, z którego nawet światło nie może uciec.
Co więcej, nowe odkrycia sugerują, że czarne dziury mogą powstawać wydajniej, niż wcześniej sądzono. Jeśli mechanizm ten był powszechny we wczesnym Wszechświecie, mógłby wyjaśnić, w jaki sposób pierwsza generacja gwiazd i czarnych dziur zasiała supermasywne czarne dziury znajdowane obecnie w centrach galaktyk.
Co dalej?
Prace zespołu przewidują, że przyszłe wykrywanie fal grawitacyjnych ujawni wyraźną korelację między masą czarnej dziury a spinem. W miarę odkrywania coraz masywniejszych podwójnych czarnych dziur naukowcy sprawdzą, czy ta zależność sprawdza się w większej populacji. Jeśli zostanie to potwierdzone, może potwierdzić nową ścieżkę formowania się i ujawnić ukrytą populację masywnych, szybko wirujących czarnych dziur. Zderzenie GW231123 może być dopiero pierwszą oznaką nowej ery w badaniach nad czarnymi dziurami.
