Novi model američkih i britanskih znanstvenika pokazuje mogućnost spajanja dvaju crnih rupa zvjezdane mase unutar akrecijskog diska supermasivne crne rupe.
Crne rupe, sferna područja svemira koja iskrivljuju prostor-vrijeme do te razine da im niti svjetlost ne može pobjeći, najčešće dijelimo na tri tipa kada je u pitanju njihova masa. Tu su prvo crne rupe zvjezdane mase (engl. stellar-mass) koje obično imaju masu od 5 do 30 puta veću od našeg Sunca. Nakon toga, postoje tzv. crne rupe srednje mase (intermediate-mass black holes, ili IMBH), koje moraju imati masu nekoliko stotina ili nekoliko tisuća puta veću od Sunca, no koje do sada još nismo detektirali. Na posljetku, tu su supermasivne crne rupe (supermassive black hole, ili SMBH), koje se nalaze u središtima galaksija i koje imaju mase milijunima i milijardama puta veće od mase Sunca. Upravo toj kategoriji pripadaju M87*, prva crna rupa ikad snimljena, te Strijelac A*, crna rupa snimljena u svibnju ove godine koja se nalazi u središtu naše galaksije.
Spajanje crnih rupa i gravitacijski valovi
Crne rupe pogotovo postaju zanimljive kada gravitacijski ‘ulove’ jedna drugu te kada se spoje u novu, veću crnu rupu i takva spajanja kroz prostor uvijek pošalju mala gravitacijska uzburkanja koja nazivamo gravitacijskim valovima. Probajte zamisliti to kao gravitacijsku verziju vodenog vala koji se digne u svim smjerovima kad u jezero bacite kamenčić. Suvremena znanost i metode omogućuju nam da gravitacijske valove očitavamo i na Zemlji, a glavni laboratorij zadužen za to je poznati LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Od kada smo po prvi put 2015. g. detektirali gravitacijske valove, nastale spajanjem dvaju crnih rupa zvjezdane mase udaljenih 1,3 milijardi svj. god., broj uočenih takvih slučajeva spajanja samo se povećava.
Tu su od posebnog interesa crne rupe zvjezdane mase koje imaju mase značajno veće od onih koje očekujemo. Zaključak do kojeg se dolazi taj je da su one nastale ne uobičajenim putem (kolabiranjem zvijezda, tj. supernovama), već spajanjem dvaju manjih crnih rupa, te dodatno, da su se potencijalno dodatno hranile upijanjem velikih količina okolnog materijala—dostupnog najčešće u središtima galaksija i okolini supermasivnih crnih rupa.
Modeliranje spajanja
Novi rad poslan ovog mjeseca na objavu u časopis Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, pod autorstvom astrofizičara za Sveučilišta Oxford i Columbia, predstavlja modele upravo takvih procesa spajanja. Naime, autori su razvili simulacije hvatanja crnih rupa u binarne sustave i potencijalnog spajanja za ukupno petnaest različitih slučajeva u kojima se dvije crne rupe zvjezdane mase nalaze unutar akrecijskog diska supermasivne crne rupe. Točnije, rad predstavlja prvi trodimenzionalni, globalni, hidrodinamički model međusobnog privlačenja crnih rupa u takvim uvjetima kroz tri različite gustoće akrecijskog diska supermasivne rupe i pet različitih početnih radijalnih udaljenosti rupa.
U svih petnaest modela, supermasivna crna rupa ima akrecijski disk širine 20 puta veće od Hillovog radijusa (radijusa gravitacijskog utjecaja) malih rupa, te ima masu 20 milijuna puta veću od mase Sunca. Također, dvije spajajuće crne rupe u modelima su uvijek iste početne mase i uvijek postavljene u kružnu orbitu diska sa razmakom od otprilike 20 stupnjeva kružnice.
Zaključak do kojeg su znanstvenici došli je da su ovakvi kozmički uvjeti itekako povoljni za guranje crnih rupa u binarne sustave, a neki od tih binarnih sustava na kraju su se i stopili u jednu crnu rupu. Od 15 odrađenih simulacija, u 12 slučajeva došlo je do formiranja binarnog sustava dvaju crnih rupa, a od tih 12 u tri slučaja binarni sustav dodatno se nastavio rotirati i nekontrolirano smanjivati sve dok se dvije rupe nisu sudarile u jednu.
Do međusobnog ‘hvatanja’ došlo je, objašnjavaju u radu, ne zbog dinamičkog trenja, tj. gravitacijskog pritiska diska na rupe, nego zbog upijanja materijala iz diska i prijenosa momenta s njega na rupe. Obje crne rupe, otkrivaju modeli, u jednoj godini upile bi oko 10 solarnih masa materijala. Nakon nekoliko desetaka simuliranih godina, objema značajno porastu mase i gravitacijska sila kojom djeluju, te se ‘zakače’ u binarnu orbitu. Tek kada se to dogodi, samo trenje u odnosu na akrecijski disk može dodatno utjecati na radijus orbitiranja binarnog sustava, tj. smanjiti ga.
Provedenih 15 simulacija nagovještava da do uparivanja crnih rupa lakše dolazi u slučajevima kada su u početnim uvjetima a) međusobno udaljenije jedna od druge, te b) manjim masama akrecijskog diska. Na posljetku, iako u većini slučajeva dolazi do uparivanja, puno spajanje ipak se događa rjeđe jer ono zahtjeva specifičan zakretni moment u trenutku kada su dvije rupe najbliže jedna drugoj.
Ovakvi modeli pomažu nam shvatiti načine na koje se crne rupe formiraju, te shodno tome i koje su njihove opće karakteristike. Formiranje znanja o crnim rupama, nadalje, jedan je od temeljnih ciljeva suvremene astronomije i važna stepenica u razumijevanju širih principa po kojima funkcionira svemir.
Pridružite se raspravi u našoj Telegram grupi. KOZMOS Telegram
Izvori:
Rowan, Connar. et. al. „Black Hole Binary Formation in AGN Discs: From Isolation to Merger“. arXiv, 2022. https://arxiv.org/abs/2212.06133 (26.12.2022.).
Saade, About Lynnie. „I Want to Know What Gravity Is“. Astrobites, 2022. https://astrobites.org/2022/12/21/bh-dinner-date/ (26.12.2022.).
Zaljubljenik u astronomiju od malih nogu. Diplomirani anglist. U slobodno vrijeme vjerojatno s frendovima u obližnjem kafiću. U paralelnom svemiru sam nešto od sljedećeg: pomorac, fizičar, astronaut, pisac, željezničar.
