Magnetska polja otkrivaju tajnu najneobičnijeg sudara u svemiru, jednog od najmasivnijih ikad zabilježenih.
Godine 2023. astronomi su svjedočili događaju koji se prema svim postojećim teorijama nije trebao dogoditi. Dvije iznimno masivne crne rupe, udaljene oko sedam milijardi svjetlosnih godina, spojile su se u sudaru koji je zabilježen pod oznakom GW231123. Njihove mase i ekstremna rotacija prkosile su svemu što je znanost dosad znala o evoluciji zvijezda i granicama nastanka crnih rupa. Takve se pojave jednostavno nisu trebale dogoditi.
Zagonetku je sada razriješio tim istraživača iz Flatiron Institute’s Center for Computational Astrophysics (CCA) u New Yorku. Njihove napredne računalne simulacije pratile su cijeli životni put zvijezda koje su prethodile sudaru, od početka nuklearne fuzije pa sve do kolapsa i stvaranja crnih rupa. Ključni čimbenik koji su prethodne studije zanemarile, kaže voditelj istraživanja Ore Gottlieb, bila su magnetska polja.
“Nitko dosad nije proučavao te sustave na način na koji smo mi pristupili. U starijim modelima magnetska polja jednostavno nisu bila uključena. Kada ih se uzme u obzir, sve postaje logično,” rekao je Gottlieb za The Astrophysical Journal Letters.
“Zabranjeni” raspon masa
No postoji masa pri kojoj se događa nešto posve drugo – takozvana supernova uzrokovana nestabilnošću parova. Tijekom te eksplozije u zvjezdanom se jezgru stvaraju elektronsko-pozitronski parovi koji destabiliziraju unutrašnju ravnotežu, pa se zvijezda u potpunosti raspadne, ne ostavljajući nikakav ostatak. Zbog toga se smatra da crne rupe s masama između približno 70 i 140 Sunčevih masa ne mogu postojati. Upravo su se unutar tog “zabranjenog” raspona nalazile crne rupe iz GW231123, što je dodatno pojačalo misterij.
Jedno od mogućih objašnjenja bilo je da su te crne rupe nastale spajanjem manjih, ali i ta je hipoteza imala problem: spajanje obično poremeti orijentaciju i brzinu rotacije. Međutim, obje crne rupe u GW231123 bile su iznimno brze, rotirale su gotovo maksimalnom brzinom, povlačeći prostorvrijeme oko sebe brzinom bliskom svjetlosti. Takva kombinacija mase i spina činila se nemogućom sve dok novi model nije uključio magnetska polja.
Zvijezda teška 250 Sunca
U prvoj fazi simulacija, znanstvenici su modelirali evoluciju zvijezde 250 puta masivnije od Sunca, prateći njezin razvoj do trenutka kada je iscrpila svoje gorivo i eksplodirala u supernovi. Tijekom tog procesa izgubila je dio mase te se smanjila na oko 150 Sunčevih masa, taman iznad granice pri kojoj se može formirati crna rupa.
Druga faza modela bila je presudna: uključivala je magnetska polja u fazi nakon eksplozije. Dosadašnji modeli pretpostavljali su da će sav materijal iz oblaka koji okružuje crnu rupu pasti natrag u nju, povećavajući njezinu masu. No nova simulacija pokazala je da magnetska polja mogu snažno izmijeniti taj ishod. Ako je izvorna zvijezda rotirala velikom brzinom, nastali disk tvari ubrzava rotaciju crne rupe, ali magnetska polja u njemu stvaraju tlak koji izbacuje dio materijala izvan sustava, gotovo brzinom svjetlosti.
Rezultat je manja konačna masa crne rupe. U slučajevima vrlo jakih magnetskih polja, čak i polovica izvorne mase zvijezde može biti izbačena u svemir. Upravo taj proces, sugeriraju istraživači, može objasniti nastanak crnih rupa unutar zabranjenog raspona masa, onih koje su donedavno smatrane nemogućima.
Veza između mase i vrtnje
Gottlieb i njegov tim zaključuju da magnetska polja imaju presudnu ulogu ne samo u određivanju mase, nego i brzine rotacije crne rupe. Snažnija polja usporavaju vrtnju i smanjuju masu, dok slabija omogućuju stvaranje težih i brže rotirajućih crnih rupa. Ta se povezanost mase i spina sada nazire kao mogući opći zakon koji bi mogao vrijediti za sve crne rupe.
Za sada astronomi nemaju druge poznate sustave u kojima bi mogli izravno testirati tu hipotezu, no buduća opažanja sličnih gravitacijskih valova mogla bi pružiti potvrdu.
Simulacije su otkrile još jedan trag: stvaranje ovakvih crnih rupa trebalo bi uzrokovati kratkotrajne, ali snažne izljeve gama zraka. Ako se ti bljeskovi usporede s detekcijama gravitacijskih valova, znanstvenici bi mogli potvrditi proces koji stoji iza formiranja ovih masivnih objekata te procijeniti koliko su česti u svemiru.
Takvo bi otkriće, ističu autori, ne samo objasnilo “nemogući” sudar iz 2023. godine, nego i otvorilo novo poglavlje u razumijevanju najekstremnijih sila prirode, onih koje oblikuju crne rupe i određuju granice samog prostora i vremena.
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.
