Ako to bolo so splynutím čiernych dier v prípade GW190521?

Aj keď chvenie priestoročasu trvá len zlomok sekundy – ako v prípade splynutia hmotných čiernych dier GW190521 – astronómovia sa snažia odhaliť jeho pôvod. Avšak štúdium gravitačných vĺn je náročné. Tieto vlny v „tkanine“ priestoročasu majú len maličký vplyv na naše prístroje a často trvajú len sekundu, alebo dokonca aj menej. Interpretácia takého javu je podobná tomu, ako keby sme chceli použiť zachytené úryvky zo slov na rekonštrukciu konverzácie na opačnej strane izby. Každý, kto hrá spoločenské hry so slovíčkami vie, že  je tu vždy množstvo riešení. A práve takýto exemplár pozorovania gravitačných vĺn so svojou komplexnosťou máme v prípade označenom GW190521. Tento jav poplietol a rozrušil astrofyzikov. Presné čísla sa môžu meniť, ale zdá sa, že v prípade GW190521 ide o zrážku čiernej diery s hmotnosťou 90 hmotností Slnka s druhou čiernou dierou so 65-násobkom hmotnosti Slnka. Tieto ohromné objekty ležia v tzv. „zakázanej zóne“, ktorá stanovuje aká hmotná môže, resp. nemôže byť čierna diera.

Hviezdy vybuchujúce ako supernovy by nemali podľa teórie vytvoriť čierne diery s hmotnosťami medzi 50 až 120 hmotností Slnka. Na určenie hmotností a iných charakteristík objektov v rámci danej registrácie gravitačných vĺn sa vedci spoliehajú na bohaté možnosti výberu. Napríklad môžu dáta vložiť do počítačových modelov, aby porovnali pozorovania s miliónmi rôznych tvarov vĺn, pretože tvar vĺn závisí od špecifických objektov, ktoré ich vytvárajú. Potom skúmajú, ktorý tvar najlepšie vyhovuje zaregistrovaným gravitačným vlnám. Rôzne predpoklady môžu meniť výstup a preferovať rôzne výsledky. V prípade tohto objektu ide o pozorovanie v dĺžke len 0,1 sekundy, čo je všetko, čo máme k dispozícii. Vedci potom musia „nafitovať“ celé riešenie numerickej simulácie kolízie a vzniku gravitačných vĺn na signál z objektu GW190521. A to sa im aj podarilo.

Spolupráca pri pozorovaniach na troch detektoroch gravitačných vĺn  LIGO-Virgo-KAGRA dokázala, že objekt GW190521 vznikol ako výsledok splynutia páru veľkých čiernych dier obiehajúcich okolo seba po takmer kruhovej dráhe, ktorá sa navyše v priestore stáčala. Iní vedci zasa predpokladali vysoko excentrické dráhy a čelnú zrážku čiernych dier, alebo predpokladali, že ich hmotnosti sú určené zle. Vo svojich úvahách zašli aj k tomu, či čierne diery sú priamo jadrá explodovaných hviezd (supernov), alebo sú to objekty druhej generácie vzniknuté splynutiami menších čiernych dier a či sa mohli k sebe priblížiť niekde v prostredí bohatom na plyn okolo jadra superhmotnej čiernej diery vo vzdialenej galaxii. Táto posledná hypotéza má potenciál byť overená pozorovaním. Nedávno Rossella Gamba(ová) (Friedrich Schiller University Jena, Nemecko) a jej kolegovia z projektu Virgo publikovali v časopise Nature hypotézu, že namiesto predpokladu o splynutí páru čiernych dier obiehajúcich už dávnejšie okolo seba, uvažovali o tom, čo by sa stalo, ak by sa čierne diery zachytili pri prelete okolo seba. Jej tím zistil, že po niekoľkých tesných preletoch okolo seba by nasledovalo finálne splynutie a aj tento proces by súhlasil s pozorovanými údajmi. Autori využili pri svojich výpočtoch štatistické analýzy ukazujúce ako pravdepodobné je ich zachytenie v porovnaní s alternatívou, že GW190521 vznikol z dvoch čiernych dier obiehajúcich okolo seba po takmer kruhových dráhach a blížiacich sa potom po špirále k sebe a splynuvších navzájom.

Svoj výskum uzavreli s tým, že je asi 4300-krát pravdepodobnejšie, že  splynutie nastalo po obehoch dvojice čiernych dier na takmer kruhových dráhach a nie po vzájomnom záchyte dvojice. Ale vo všeobecnosti nevieme, aké pravdepodobné sú tieto dva rôzne scenáre. Astrofyzik Zoheyr Doctor (Northwestern University, USA) z projektu LIGO, ktorý nebol účastníkom tejto štúdie hovorí: „Ak vidím niečo len kútikom oka, čo vyzerá ako tiger a menej pravdepodobne ako lopta, stále môžem tvrdiť, že to, čo som videl, je lopta, pretože lopty sa tu vyskytujú určite častejšie (špeciálne v Chicagu). To môže platiť aj v tomto prípade: z dát sa môže zdať, že ide o priblíženie na hyperbolickej dráhe, ale to môže byť vyrovnané tým, že „hyperbolické“ priblíženie je vzácne v porovnaní s inými vysvetleniami.“ Pravdepodobne nebudeme nikdy poznať presnú podstatu vzniku objektu GW190521. Ale jedného dňa môžeme zaregistrovať dostatok podobných signálov, na základe ktorých budeme schopní povedať, ako pravdepodobné sú úkazy ako tento a z toho zistiť ako pravdepodobné je to, že  GW190521 pochádza z jednej kategórie javov skôr než z inej. Vedci sa už chystajú na začiatok nasledujúcej pozorovacej sezóny zhruba od marca 2023 a môžeme sa tak tešiť na to, čo vedci najviac preferujú: viac údajov.

Publikované v časopise QUARK 4/2023, RNDr. Zdeněk Komárek

Text k titulnému obrázku nad článkom: Ilustračná kresba splynutia dvoch čiernych dier.
Zdroj obrázka: https://www.ligo.org/