Gravitacijska pozadina, zbroj iznimno slabih gravitacijskih valova nastalih u bezbrojnim sudarima supermasivnih crnih rupa, ušla je 2023. u fokus nakon što je više međunarodnih suradnji objavilo da je prvi put detektirala taj signal. Jedan od projekata koji je o tome izvijestio je NANOGrav. No mjerenja su otvorila problem: amplituda pozadinskog signala ispala je veća nego što su teorijske procjene očekivale. U radu objavljenom u časopisu The Astrophysical Journal, Julie Comerford i Joseph Simon sa Sveučilišta u Coloradu u Boulderu predlažu da se razlika može objasniti time što manji član para supermasivnih crnih rupa tijekom spajanja dobiva više mase nego što su modeli pretpostavljali.
U osnovi priče je činjenica da se galaksije u svemiru neprestano spajaju. Svaka od njih u središtu ima supermasivnu crnu rupu. Kada se dvije galaksije počnu stapati, njihove se središnje crne rupe s vremenom vežu u par, kruže jedna oko druge i postupno se približavaju, sve dok se naposljetku ne sudare. Upravo ti sudari stvaraju gravitacijske valove. Pojedinačni događaji su preslabi da bi ih ljudi ikada osjetili, ali kada se doprinosi mnogih takvih događaja zbroje, nastaje pozadinski signal koji se može tražiti u vrlo preciznim mjerenjima.
Comerford je taj koncept opisala usporedbom koja objašnjava kako pozadina nastaje preklapanjem: “Možete zamisliti puno ljudi u bazenu. Svi stvaraju svoje valove, a valovi se preklapaju. Takva je gravitacijska pozadina.”
Prekretnica iz 2023. nije, dakle, bila samo u tvrdnji da je signal uočen, nego i u tome što je ispao jači od očekivanog. “Imali smo predviđanje kako bi gravitacijska pozadina trebala izgledati, a ono što je NANOGrav našao bilo je veće od očekivanog”, rekla je Comerford. “Bilo je to iznenađenje i zabavna nova zagonetka za riješiti.”
Zašto bi “manja” crna rupa mogla narasti više
Supermasivne crne rupe postoje u velikom rasponu masa. Najveće imaju mase usporedive s milijardama Sunčevih masa, dok su druge manje, ali i dalje ekstremno masivne, s masama milijunima puta većima od Sunčeve. U mnogim prijašnjim raspravama o gravitacijskoj pozadini naglasak je bio na najmasivnijim objektima, uz pretpostavku da manji “sudionici” ne mogu bitno promijeniti ukupni signal.
Comerford i Simon polaze od toga da su spajanja galaksija “neuredni” procesi u kojima plin može snažno utjecati na rast crnih rupa. Kad se dvije galaksije spajaju, plin iz njihovih sustava može se usmjeravati prema središtima i oblikovati prstenasti omotač oko para crnih rupa. Dio tog plina zatim pada na crne rupe i povećava im masu.
Simulacije su već upućivale na važan detalj: dvije crne rupe u paru ne moraju rasti jednakom brzinom. Comerford to objašnjava prostornim rasporedom unutar prstenastog omotača: “Masivnija crna rupa sjedi bliže središtu prstena gdje nema puno plina. Manja crna rupa je dalje, pa je bliže mjestu gdje je plin.” To znači da manja crna rupa može imati bolji “pristup” materijalu i brže povećavati masu. U radu se taj učinak opisuje pojmom “preferencijalna akrecija”.
Ako manji član para doista dobiva razmjerno više mase, posljedica je jasna: masivniji sudari proizvode snažnije gravitacijske valove, pa i ukupna gravitacijska pozadina raste.
Jedna promjena u jednadžbama približila je prognoze i mjerenja
Kako bi testirali može li taj mehanizam objasniti razliku između procjena i mjerenja, Comerford je postavila skup jednadžbi koje opisuju fiziku spajanja galaksija i rast supermasivnih crnih rupa u tom procesu. Zatim su autori u model uveli konkretnu prilagodbu: postavili su da manje crne rupe tijekom spajanja narastu 10% više od većih.
Prema radu, upravo je ta promjena bila dovoljna da se procjene gravitacijske pozadine usklade s mjerenjima koja su objavljena u okviru NANOGrav. “Počinju kao male, ali zato što upravo te male rastu najviše, ne bi ih se smjelo otpisati”, rekla je Comerford.
Autori naglašavaju da time zagonetka nije zaključena. Studija nudi konzistentno objašnjenje, ali još ne potvrđuje da se stvarni sustavi u svemiru ponašaju upravo prema tom scenariju. Zato je, prema Comerford, pokrenut novi napor opažanja galaksija koje se upravo spajaju, kako bi se provjerilo poklapaju li se opažanja s onim što sugeriraju simulacije.
U širem smislu, ovakvi modeli dotiču jedno od temeljnih pitanja astrofizike: kako su se u ranom svemiru, u “primordijalnim” galaksijama koje su bile male i sastavljene uglavnom od plina, mogle izgraditi gigantske supermasivne crne rupe kakve postoje danas. “Cijelu karijeru proučavam supermasivne crne rupe, a još uvijek ne znamo ni kako nastaju”, rekla je Comerford. Ako preferencijalna akrecija dobije potvrdu u opažanjima, mogla bi postati ključna karika i u tumačenju gravitacijske pozadine i u razumijevanju rasta crnih rupa kroz kozmičku povijest.
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.
