Najmasivnije crne rupe nisu nastale izravno iz zvijezda, nego u nizu nasilnih sudara

Najveće crne rupe otkrivene preko gravitacijskih valova vjerojatno nisu nastale jednostavnim urušavanjem masivnih zvijezda. Novo istraživanje pokazuje da su ti objekti rasli postupno, kroz ponovljena spajanja crnih rupa u gustim zvjezdanim skupovima, gdje se sudari događaju mnogo češće nego u mirnijim dijelovima galaksija.

Analiza najnovijeg kataloga detekcija LIGO-Virgo-KAGRA otkrila je dvije različite populacije crnih rupa. Manje mase uglavnom se uklapaju u klasičnu sliku nastanka iz masivnih zvijezda, dok najteže crne rupe nose drukčiji potpis: bržu i nasumično usmjerenu vrtnju, upravo onakvu kakva se očekuje nakon više uzastopnih spajanja.

Gravitacijski valovi više ne broje samo sudare

Istraživanje, objavljeno u časopisu Nature Astronomy, vodio je tim sa Sveučilišta Cardiff. Znanstvenici su analizirali četvrtu verziju kataloga GWTC, koji sadrži 153 dovoljno pouzdane detekcije spajanja crnih rupa.

Ti događaji ne vide se kao obična svjetlost. Detektiraju se preko gravitacijskih valova, sitnih poremećaja u prostorvremenu koji nastaju kada se iznimno masivni objekti spoje. Upravo su ti valovi astronomima otvorili novi način proučavanja crnih rupa, osobito onih koje ne odaju svoje postojanje zračenjem iz okoline.

Fabio Antonini sa Sveučilišta Cardiff, glavni autor studije, ističe da astronomija gravitacijskih valova više ne služi samo za prebrojavanje spajanja crnih rupa. Podaci sada počinju pokazivati gdje crne rupe rastu, kako se povećavaju i što to govori o životu i smrti masivnih zvijezda.

Dvije skupine, dva različita podrijetla

U podacima se pojavila jasna podjela. Jedna populacija crnih rupa ima manje mase i ponaša se onako kako se očekuje od objekata nastalih nakon urušavanja masivnih zvijezda. Njihova vrtnja uglavnom je sporija i bolje se uklapa u uobičajene scenarije zvjezdanih ostataka.

Druga populacija nalazi se na višim masama i izgleda drukčije. Te crne rupe češće imaju bržu vrtnju, a osi njihove rotacije ne pokazuju uredan zajednički smjer. Takav raspored teško je objasniti samo klasičnim razvojem dvojnih zvjezdanih sustava.

Za istraživače je to važan trag. Ako se dvije crne rupe spoje, novonastala crna rupa zadržava dio mase i rotacijskog zamaha tog događaja. Ako se zatim ponovno spoji s drugom crnom rupom, nastaje objekt druge generacije. Nakon više takvih sudara, masa raste, a vrtnja dobiva upravo onaj kaotičniji potpis koji se vidi u najtežim sustavima.

Takvi se događaji najlakše mogu odvijati u gustim zvjezdanim skupovima. U njihovim središtima zvijezde i crne rupe mogu biti zbijene i do milijun puta gušće nego u Sunčevoj okolini. U takvom okruženju crne rupe ne moraju završiti kao izolirani ostaci mrtvih zvijezda. One se mogu susretati, vezati u parove, sudarati i ponovno ulaziti u nove sudare.

Trag davno predviđene praznine u masama

Studija donosi i jedan od najjačih dosadašnjih tragova takozvane praznine masa. To je raspon u kojem crne rupe ne bi trebale nastajati izravnim urušavanjem pojedinačnih zvijezda.

Razlog je u životu najmasivnijih zvijezda. Prema modelima zvjezdane evolucije, neke zvijezde na kraju života postaju toliko nestabilne da ne završe tihim kolapsom u crnu rupu. Umjesto toga, u njihovoj unutrašnjosti nastaju uvjeti koji pokreću razornu eksploziju. Zvijezda tada izgubi toliko materijala da iza nje ne ostane crna rupa očekivane mase, a u ekstremnim slučajevima može biti potpuno razorena.

Zato astronomi već dugo očekuju područje u kojem bi trebalo biti vrlo malo crnih rupa nastalih izravno iz zvijezda. U novoj analizi taj se prijelaz pojavljuje oko 45 Sunčevih masa. Iznad te granice crne rupe u katalogu više ne izgledaju kao obični ostaci pojedinačnih masivnih zvijezda.

Ključan trag nije samo njihova masa, nego i vrtnja. Crne rupe iznad te granice češće imaju bržu rotaciju i osi vrtnje koje ne pokazuju uredan zajednički smjer. To je teško objasniti klasičnim razvojem dvojnih zvijezda, ali dobro odgovara scenariju u kojem su crne rupe već nastale ranijim spajanjima.

Drugim riječima, najteže crne rupe u uzorku možda nisu prva generacija crnih rupa. One su mogle nastati tako da su se manje crne rupe najprije spojile, a zatim se novonastali objekt ponovno sudario s drugom crnom rupom. Takav niz spajanja prirodno povećava masu i ostavlja kaotičniji potpis u rotaciji.

Zato autori studije smatraju da najmasivniji objekti u katalogu ne govore samo o smrti pojedinačnih zvijezda. Oni vjerojatno čuvaju zapis o životu u gustim zvjezdanim skupovima, gdje se crne rupe mogu više puta susresti, spojiti i ponovno ući u nove sudare.

Rezultati imaju šire značenje od samog podrijetla crnih rupa. Granica koju stvara nestabilnost parova ovisi o procesima u jezgrama masivnih zvijezda, posebno o nuklearnim reakcijama tijekom izgaranja helija. Zbog toga bi budući podaci gravitacijskih valova mogli pomoći i u provjeri nuklearne fizike koja određuje sudbinu najvećih zvijezda.

Što katalog detekcija bude veći, lakše će se razdvojiti crne rupe nastale izravnim kolapsom zvijezda od onih koje su rasle kroz ranije sudare. Najteži objekti u današnjim podacima već sada izgledaju kao proizvodi dugog nasilnog puta kroz gusto naseljena zvjezdana okruženja, a ne kao jednostavni ostaci jedne umrle zvijezde.

Ivan Petričević

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.