Zaregistrovali sme vznik najhmotnejšej čiernej diery

Observatóriá gravitačných vĺn zaznamenali vznik doteraz najhmotnejšej čiernej diery splynutím dvoch menších čiernych dier a vytvorila sa tak možnosť overiť si naše názory na vznik čiernych dier. Krátke rozvlnenie priestoročasu zaregistrované 21. mája 2019 o 03:02:29 UT (t.j. svetového času, ktorý je o 1 hodinu pozadu za našim SELČ) zaregistrované americkým detektorom gravitačných vĺn LIGO a európskym detektorom Virgo, potvrdzuje existenciu čiernych dier strednej hmotnosti. Astrofyzikom to zabezpečilo nový pohľad na rast týchto vesmírnych „nenásytníkov“. „Je to veľmi vzrušujúce,“ hovorí Jenny Greeneová z Princetonu v USA, výskumníčka v oblasti čiernych dier. Signál trvajúci len 0,1 sekundy bol katalogizovaný pod označením GW190521, vznikol pred zhruba 7 miliardami rokov, keď sa dve čierne diery s „hviezdnymi hmotnosťami“ vo vzdialenej galaxii zrazili a splynuli na obra s hmotnosťou 142 hmotností nášho Slnka – na zďaleka najhmotnejšiu dieru doteraz objavenú pomocou gravitačných vĺn vyžiarených pri jej vzniku splynutím dvoch menších.

Tento objav poukazuje na to, že čierne diery môžu „rásť“ pomocou splývania s inými a možno takto vznikajú aj superhmotné čierne diery, ktoré nachádzame v jadrách galaxií. Veľmi krátke trvanie a nízka frekvencia (okolo 60 Hz) gravitačných vĺn nechávajú aj trocha miesta pre iné, exotickejšie vysvetlenie, ale najpravdepodobnejšie aj tak ostáva vysvetlenie, že ide o extrémne hmotnú čiernu dieru, ako tvrdí spolupracovník projektu Virgo Chris Van Den Broeck (Univerzita v Utrechte, Holandsko). Detailná analýza signálu publikovaná vlani v septembri v časopise Physical Review Letters ukazuje, že dve kolidujúce čierne diery mali hmotnosť neuveriteľných 66 a 85 hmotností Slnka. Podľa našich vedomostí z astrofyziky, by výbuchy supernov nemali produkovať čierne diery s hmotnosťami medzi 65 a 120 hmotností Slnka. Predchodca supernovy by potom totiž mal mať hmotnosť medzi 130 a 200 slnečných hmotností, ale takéto veľmi hmotné hviezdy končia svoj život výbuchom supernovy procesom nazývaným „párová nestabilita“, pri ktorom je hviezda  explóziou úplne zničená bez toho, aby zanechala po sebe nejaký kompaktný zvyšok. Takže v prípade GW190521 aspoň čierna diera s hmotnosťou 85 slnečných hmotností (a možno aj tá druhá so 66 hmotnosťami Slnka) musela vzniknúť iným spôsobom – možno predchádzajúcim splynutím iných čiernych dier. „Vznik čiernej diery s hmotnosťou 85 krát väčšou ako má Slnko nie je priamočiary a toto by mohlo poukazovať na prípad hierarchického splývania čiernych dier v hustom prostredí, ako napr. vo vnútri guľových hviezdokôp,“ konštatuje Jay Strader (Michigan State University, USA), odborník na guľové hviezdokopy.

Registrácia gravitačných vĺn ukazuje nielen prvý objav čiernej diery v tzv. „medzere v hmotnostiach pri párovej nestabilite“, ale konečným výsledkom tohto splynutia je taktiež prvá spoľahlivá detekcia čiernej diery s hmotnosťou nad 100 hmotností Slnka, konštatuje Luis Ho (Pekingská univerzita, Čína): „Toto sú dlho hľadané semienka potrebné na tvorbu superhmotných čiernych dier.“ Čierne diery stredných hmotností (angl. Intermediate-mass black holes – IMBHs) vypĺňajú medzeru medzi hviezdnymi (t.j. stelárnymi) čiernymi dierami vznikajúcimi po výbuchu supernov a superhmotnými čiernymi dierami nachádzanými v jadrách galaxií, ktoré môžu mať hmotnosť až milióny, či miliardy hmotností nášho Slnka. Podľa správy publikovanej v The Astrophysical Journal Letters, objekt GW190521 potvrdzuje, že čierne diery stredných hmotností môžu vzniknúť splynutím dvoch menej hmotných čiernych dier a že môžu skutočne byť tou chýbajúcou spojnicou smerom ku vzniku superhmotných čiernych dier. Avšak Strader hovorí, že vznik čiernych dier stredných hmotností podľa scenára hierarchického splývania/spájania menších čiernych dier nie je tak celkom bezproblémový: podľa simulácií je produkt splynutia „vyhodený“ z hustého prostredia, kde sa úspešné splynutie uskutočnilo. „Môj odhad je, že objekty podobné GW190521 nie sú spojené so vznikom superhmotných čiernych dier, ktoré pravdepodobne potrebujú začínať svoj vznik s oveľa vyššou hmotnosťou, alebo skôr rastom vďaka akrécii plynu než splývaním,“ tvrdí Strader. Greeneová, ktorá nedávno napísala prácu o čiernych dierach stredných hmotností spolu so Straderom a Hoom do časopisu Annual Reviews, súhlasí s tým, že všetky mechanizmy vzniku čiernych dier stredných hmotností sú možné. „Je málo pravdepodobné, že by všetky čierne diery stredných hmotností mohli byť formované jediným procesom. Ak dokážeme, že séria postupného splývania čiernych dier môže fungovať, naučíme sa niečo veľmi dôležité. Budúce detektory gravitačných vĺn, ako navrhovaný Einstein Telescope (Európa) a Cosmic Explorer (USA) budú schopné pozorovať aj splynutia oveľa hmotnejších čiernych dier s hmotnosťami medzi 200 – 1000 hmotností Slnka, čo je niečo, čo LIGO ani Virgo dnes nedokážu kvôli limitovanej frekvencii vĺn, na ktorej pozorujú, hovorí Van Den Broeck.

Publikované v časopise QUARK 5/2021, RNDr. Zdeněk Komárek

Text k ilustračným obrázkom:

Počítačová simulácia zvlnenia priestoročasu vyvolaného splynutím dvoch doteraz najhmotnejších čiernych dier vo dvojhviezde.

Zdroj obrázkov: https://skyandtelescope.org