Crna rupa i neutronska zvijezda sudarile se po neobičnoj putanji

Kad se crna rupa i neutronska zvijezda nađu u smrtonosnom plesu, astronomi obično očekuju da se prije konačnog sudara kreću gotovo savršeno kružnom orbitom. Upravo zato novi rezultat, temeljen na signalu gravitacijskih valova GW200105, mijenja sliku: istraživači su pronašli prve čvrste dokaze da je ovaj par neposredno prije spajanja kružio po ovalnoj, a ne kružnoj putanji. To je prvi put da je takvo ponašanje uvjerljivo prepoznato kod sudara ove vrste, a otkriće upućuje na to da dosadašnji teorijski modeli ne objašnjavaju cijelu priču.

Istraživanje su proveli znanstvenici sa Sveučilišta u Birminghamu, Autonomnog sveučilišta u Madridu i Instituta Max Planck za gravitacijsku fiziku, a rezultati su 11. ožujka objavljeni u časopisu The Astrophysical Journal Letters. U središtu priče nalazi se događaj GW200105, sustav u kojem su se crna rupa i neutronska zvijezda na kraju spojile u crnu rupu oko 13 puta masivniju od Sunca. No prije tog završnog čina nisu se gibale onako kako se dugo pretpostavljalo.

Orbita koja mijenja priču

Većina poznatih modela polazi od toga da parovi crne rupe i neutronske zvijezde tijekom dugog približavanja izgube tragove početne dinamike i završe na gotovo kružnim orbitama. Ovdje se, međutim, dogodilo nešto drugo. Nova analiza pokazuje da je sustav dugo prije spajanja zadržao ovalnu orbitu, što kod ovakvog sudara dosad nije bilo viđeno.

Dr. Patricia Schmidt sa Sveučilišta u Birminghamu istaknula je da otkriće donosi važne nove tragove o tome kako uopće nastaju sustavi crne rupe i neutronske zvijezde. To, dodaje, pokazuje da su postojeći teorijski modeli nepotpuni i otvara nova pitanja o okruženjima u kojima se takvi parovi formiraju.

Do tog zaključka tim je došao analizom podataka detektora LIGO i Virgo, koristeći novi model gravitacijskih valova razvijen na Institutu za astronomiju gravitacijskih valova pri Sveučilištu u Birminghamu. Taj je model prvi put u jednom događaju koji uključuje crnu rupu i neutronsku zvijezdu omogućio istodobno mjerenje dviju stvari: koliko je orbita bila odstupila od kružnog oblika, dakle koliko je bila izdužena, te postoji li njihanje sustava izazvano vrtnjom, poznato kao precesija.

Tragovi nasilnog podrijetla

Upravo je oblik orbite, kažu autori, otkrio najviše. Geraint Pratten, stipendist Kraljevskog društva i istraživač sa Sveučilišta u Birminghamu, rekao je da eliptičan oblik putanje neposredno prije spajanja pokazuje kako se ovaj sustav gotovo sigurno nije razvijao mirno i izolirano. Mnogo je vjerojatnije da su ga oblikovale gravitacijske interakcije s drugim zvijezdama, a možda i prisutnost trećeg pratitelja.

Istraživači su pritom proveli Bayesovu analizu u kojoj su usporedili tisuće teorijskih predviđanja sa stvarnim podacima. Rezultat je bio vrlo jasan: mogućnost da je orbita bila kružna odbačena je s pouzdanošću od 99,5 posto. Drugim riječima, kružni scenarij ovdje je krajnje nevjerojatan.

To ima i vrlo konkretne posljedice za samu procjenu svojstava sustava. Ranije analize događaja GW200105, koje su polazile od pretpostavke kružne orbite, podcijenile su masu crne rupe, a precijenile masu neutronske zvijezde. Nova studija ispravlja te vrijednosti i pritom ne nalazi uvjerljive dokaze za precesiju. To sugerira da je izdužena orbita zapravo trag načina na koji je sustav nastao, a ne posljedica vrtnje njegovih članova.

Gonzalo Morras, povezan s Autonomnim sveučilištem u Madridu i Institutom Max Planck za gravitacijsku fiziku, rekao je da je riječ o uvjerljivom dokazu da svi parovi crne rupe i neutronske zvijezde nemaju isto podrijetlo. Po njegovim riječima, ekscentrična, odnosno nekružna orbita upućuje na nastanak u okolišu gdje velik broj zvijezda snažno gravitacijski djeluje jedna na drugu.

Šire gledano, ovo otkriće dovodi u pitanje prevladavajuću sliku prema kojoj sva spajanja crnih rupa i neutronskih zvijezda nastaju kroz jedan glavni kanal formiranja. Ujedno pokazuje koliko su astronomiji potrebni napredniji modeli valnih oblika, dovoljno osjetljivi da uhvate stvarnu složenost takvih sustava. Kako broj detekcija gravitacijskih valova nastavlja rasti, znanstvenici sada imaju otvorena vrata prema prepoznavanju još neobičnijih putova nastanka i objašnjenju sve veće raznolikosti koju pokazuju sudari kompaktnih objekata u svemiru.