Središta galaksija spadaju među najteže dostupna mjesta u svemiru, prepuna zvijezda, tamne tvari i gravitacijskog kaosa oko supermasivnih crnih rupa. Upravo zato novo istraživanje donosi rijedak pogled u taj skriveni prostor. Analiza pokazuje da okolina parova supermasivnih crnih rupa može sadržavati oko milijun Sunčevih masa u svakom kubičnom parseku, a do tog zaključka znanstvenici nisu došli teleskopima koji promatraju svjetlost, nego “slušanjem” gotovo nečujnog gravitacijskog šuma koji prolazi kroz svemir.
Takav signal nije nastao u jednom događaju, nego iz golemog broja parova supermasivnih crnih rupa koje se polako spiralno približavaju nakon sudara galaksija. Riječ je o objektima čije mase dosežu od milijuna do milijardi masa Sunca. Dok tijekom milijuna godina gube energiju i prilaze jedna drugoj, odašilju gravitacijske valove koji se zajedno stapaju u slabu, postojanu pozadinu. Upravo je na temelju te pozadine tim u radu objavljenom u časopisu Nature Astronomy pokušao odgovoriti na pitanje može li se iz gravitacijskih valova već sada iščitati kakvi su uvjeti u galaktičkim središtima.
Prvi autor rada, dr. Yifan Chen sa Sveučilišta Shanghai Jiao Tong, kaže da je upravo to bilo polazište istraživanja. Nakon što je nekoliko međunarodnih suradnji koje rade s mrežama pulsara objavilo mjerenja “nanohertznih gravitacijskih valova”, otvorilo se prirodno pitanje mogu li ti podaci otkriti nešto i o samoj okolini u kojoj se te divovske crne rupe nalaze.
Kozmički satovi otkrivaju trag
Za takva mjerenja koriste se takozvane mreže za vremensko praćenje pulsara. One se oslanjaju na milisekundne pulsare, iznimno brzo rotirajuće neutronske zvijezde koje odašilju radijske impulse gotovo savršenom pravilnošću. Zbog te preciznosti astronomi ih često opisuju kao kozmičke satove raspršene po galaksiji. Kad gravitacijski val prođe između Zemlje i takvog pulsara, on neznatno rastegne i stisne prostorvrijeme, pa se vrijeme dolaska impulsa malo pomakne. Upravo te sitne razlike otkrivaju prisutnost valova.
Za razliku od detektora na Zemlji, poput LIGO-a, koji bilježe završne trenutke sudara manjih crnih rupa zvjezdane mase u djeliću sekunde, mreže pulsara osjetljive su na mnogo niže frekvencije. To znači da promatraju supermasivne crne rupe u mnogo ranijoj fazi njihova približavanja, dok okoliš galaktičkog središta još snažno utječe na njihovo gibanje. Chen zato naglašava da je kod detektora poput LIGO-a teško išta doznati o okolišu, jer ondje gravitacijski valovi već potpuno dominiraju evolucijom sustava, dok kod mreža pulsara taj utjecaj još nije preuzeo glavnu riječ.
Upravo tu se pojavio i ključni trag. Suradnja NANOGrav, na čijim se podacima ovo istraživanje temelji, već je detektirala niskofrekventne gravitacijske valove. No na najnižim frekvencijama spektar ne izgleda onako kako bi izgledao kada bi se parovi crnih rupa razvijali isključivo pod utjecajem gravitacijskog zračenja. Umjesto toga vidi se svojevrsni zavoj, odstupanje koje upućuje na to da nešto iz okoliša, ili pak vrlo izdužene orbite, mijenja način na koji ti sustavi gube energiju i zbijaju se kroz vrijeme.
Crne rupe čiste vlastitu okolinu
Glavni mehanizam koji bi mogao objasniti taj signal jesu gravitacijski susreti u sustavu triju tijela. U praksi to znači da zvijezde i čestice tamne tvari koje okružuju par crnih rupa prolaze kroz ponovljene bliske susrete s njima, nakon čega bivaju izbačene prema van. Pritom odnose dio orbitalne energije, pa se crne rupe postupno sve brže približavaju. Chen to objašnjava jednostavnijim primjerom: kada se jedna crna rupa kreće kroz oblak mnogo lakših čestica, poput plina, zvijezda ili tamne tvari, gravitacija može tim česticama dati dodatno ubrzanje. Crna rupa pritom gubi dio vlastite energije i usporava.
Kad se, međutim, dvije crne rupe vrte jedna oko druge, cijeli proces postaje mnogo učinkovitiji. Čestica može više puta odskočiti između obje crne rupe prije nego što bude izbačena, pa se iz orbite izvuče znatno više energije nego u običnom slučaju dinamičkog trenja između dvaju tijela. U stvarnim galaktičkim središtima materija se nakuplja oko svake supermasivne crne rupe još prije nego što nastane par. Kad se crne rupe dovoljno približe, te interakcije počinju učinkovito čistiti okolinu i izbacivati materijal prema van. Posljedica je dvostruka: crne rupe se brže spiralno približavaju, a vrlo gusto središte postupno se izravnava.
Upravo ta faza ostavlja prepoznatljiv potpis u gravitacijskom spektru. Na niskim frekvencijama pojavljuje se zavoj, a njegova točna frekvencija ovisi o početnoj gustoći materije oko para crnih rupa. To je važno i zbog takozvanog problema posljednjeg parseka, dugotrajnog pitanja u astrofizici kako supermasivne crne rupe uspiju prijeći zadnji parsek, odnosno završni komad međusobne udaljenosti, jer samo gravitacijsko zračenje u toj fazi nije dovoljno brzo da dovrši spajanje.
Gustoća u središtima galaksija
Usporedbom svojeg modela s petnaestogodišnjim skupom podataka NANOGrava, istraživači su procijenili gustoću u središtima galaksija na skali od jednog parseka. Analiza najviše podupire gustoću od oko 10 na šestu Sunčevih masa po kubičnom parseku, odnosno približno milijun Sunčevih masa u tom volumenu. Uz to, podaci više odgovaraju razmjerno ravnim, jezgrastim profilima gustoće nego strmim, snažno zbijenim koncentracijama materije.
Chen kaže da je taj raspon u velikoj mjeri u skladu s onim što astronomi već znaju iz elektromagnetskih promatranja dvaju najbližih galaktičkih središta koja mogu detaljno proučavati, našeg Mliječnog puta i obližnje galaksije M87. To je, smatra on, ohrabrujuće jer sugerira da su učinci okoliša iščitani iz gravitacijskih valova realni, a ne neka egzotična anomalija. Konkretno, raspodjela zvijezda u nuklearnom skupu Mliječnog puta i u zvjezdanom središtu galaksije M87 prirodno upada u područje koje model najbolje opisuje.
S druge strane, podaci ne idu u prilog strmim šiljcima tamne tvari, hipotetskim koncentracijama koje bi nastale kada bi crne rupe rasle unutar već postojećih haloa tamne tvari. Ipak, analiza je otkrila jedan važan problem tumačenja. Postoji djelomična degeneracija između početne ekscentričnosti orbite i gustoće okoliša. Drugim riječima, vrlo izdužena orbita može u signalu donekle oponašati učinak guste okoline. Chen pritom napominje da bi objašnjenje opaženog niskofrekventnog zavoja samo ekscentričnošću zahtijevalo ekstremno velike početne ekscentričnosti, što za većinu sustava nije vjerojatno.
Važnost ovih rezultata ne završava na mjerenju gustoće. Učinkovito izbacivanje zvijezda iz središta galaksije objašnjava i zašto neke galaksije razvijaju ravne središnje jezgre, dok druge zadržavaju strma i vrlo gusta središta. Time gravitacijski valovi postaju alat ne samo za praćenje samih spajanja crnih rupa, nego i za proučavanje načina na koji se oblikuju galaktičke jezgre.
Sljedeći korak sada je jasniji i oslanja se na osjetljivija promatranja. Chen ističe da je prioritet potvrditi i preciznije izmjeriti niskofrekventnu značajku u pozadini gravitacijskih valova, što će postajati izvedivo kako mreže pulsara budu skupljale sve dulje nizove podataka. Posebno važnima smatra nove doprinose snažnih radioteleskopa, među njima i kineskog FAST-a, nakon više od deset godina promatranja.
U budućnosti bi dodatni napredak mogli donijeti i Square Kilometer Array te astrometrijske misije nove generacije. Takvi instrumenti trebali bi preciznije razdvojiti učinak ekscentričnosti od učinka gustoće okoliša. U kombinaciji s elektromagnetskim promatranjima pojedinih parova crnih rupa, gravitacijski valovi mogli bi čak pomoći razlikovati dominiraju li u središtima galaksija zvijezde ili tamna tvar, pa i testirati egzotičnije modele poput valolike ili samointeragirajuće tamne tvari. Tiho kozmičko brujanje tako se pretvara u iznenađujuće precizan vodič kroz najskrivenije dijelove galaksija.
Ivan je novinar i autor koji piše o znanosti, svemiru i povijesti. Gostuje kao stručni sugovornik na Science Discovery i History Channelu te piše za Večernji list. Osnivač je Kozmos.hr, prvog hrvatskog portala posvećenog popularizaciji znanosti.
