Sudar dviju crnih rupa možda je izazvao bljesak gama-zračenja

Sudari crnih rupa godinama su se smatrali kozmičkim događajima koji za sobom ne ostavljaju nikakav svjetlosni trag, nego ih se može otkriti samo preko gravitacijskih valova. No opažanje iz studenoga 2024. sada otvara mogućnost da je jedno takvo spajanje ipak proizvelo i bljesak gama-zračenja. Ako se ta povezanost potvrdi, astronomi bi prvi put dobili ozbiljan dokaz da se sudar dviju crnih rupa, u posebnim uvjetima, može ne samo registrirati kroz podrhtavanje prostorvremena nego i vidjeti u visokoenergetskom zračenju.

Međunarodna skupina istraživača iz Kine i Italije izvijestila je da su opservatoriji LIGO-Virgo-KAGRA zabilježili gravitacijske valove iz spajanja binarnog sustava crnih rupa, označenog kao S241125n. Samo 11 sekundi poslije NASA-in opservatorij Swift registrirao je kratki bljesak gama-zračenja iz istog dijela neba, a ubrzo zatim kineski satelit Einstein Probe ondje je uočio i rendgenski naknadni sjaj. Upravo ta vremenska i prostorna podudarnost čini događaj iznimno zanimljivim.

Autori ipak ne tvrde da je veza već dokazana. U radu objavljenom u časopisu The Astrophysical Journal procjenjuju da kombinirana stopa lažnog alarma iznosi otprilike jedan takav slučaj u 30 godina opažanja. To ne znači da je slučaj zaključen, ali znači da obično slučajno preklapanje signala nije osobito vjerojatno. Zbog toga istraživači rezultat opisuju kao statistički vrlo intrigantan, ali još nedovoljno čvrst za konačan zaključak.

Dalek i neuobičajeno masivan sudar

Dodatnu težinu ovom slučaju daje i njegova udaljenost. Gravitacijski valovi putovali su do Zemlje oko 4,2 milijarde svjetlosnih godina, što odgovara crvenom pomaku od približno z = 0,73. Drugim riječima, riječ je o sudaru koji se dogodio u razdoblju kada je svemir bio znatno mlađi nego danas.

Neobične su i same crne rupe koje su se spojile. Analiza upućuje na to da je njihova ukupna masa bila znatno veća od 100 Sunčevih masa, čime S241125n ulazi među najmasivnija dosad zabilježena spajanja crnih rupa zvjezdane mase. To je važno zato što većina sudara koje je LIGO dosad opažao uključuje sustave ukupne mase od tek nekoliko desetaka Sunčevih masa. Ovako težak par zato otvara pitanje jesu li te crne rupe možda i same nastale kroz ranija spajanja ili nekim rjeđim, neuobičajenim procesom.

Znanstvenike pritom posebno zanima priroda opaženog bljeska gama-zračenja. Po ukupnoj energiji, sjaju i trajanju taj izvor podsjeća na uobičajen kratki bljesak gama-zračenja. No detalji spektra ne uklapaju se sasvim u standardnu sliku. Početna emisija bila je lakša nego što je tipično za takve događaje, što znači da su fotoni u prosjeku imali niže energije, dok je naknadni sjaj bio tvrđi od očekivanog. Takva kombinacija može upućivati na drukčiji mehanizam zračenja ili na poseban učinak prolaska zračenja kroz okolni medij.

Važno je i to što ovaj događaj pokazuje koliko daleko današnji instrumenti mogu sezati. Već i samo registriranje tako masivnog spajanja na toj udaljenosti veliko je postignuće suvremene astrofizike. No ako je uz gravitacijski signal doista zabilježen i bljesak gama-zračenja, tada se ne radi samo o još jednom udaljenom sudaru, nego o slučaju koji izravno dovodi u pitanje staru pretpostavku da su spajanja dviju crnih rupa za teleskope potpuno tamna.

Mogući izvor bljeska

Kako objasniti zračenje ondje gdje ga, prema dosadašnjem razumijevanju, ne bi trebalo biti? Istraživači iz Kine i Italije zato predlažu drukčiji scenarij: sudar se možda nije dogodio u gotovo praznom međuzvjezdanom prostoru, nego unutar akrecijskog diska aktivne galaktičke jezgre, odnosno u gustom disku plina i prašine koji kruži oko supermasivne crne rupe u središtu galaksije. Upravo takvo okruženje moglo bi objasniti zašto je događaj, uz gravitacijske valove, možda ostavio i bljesak gama-zračenja.

To bitno mijenja cijelu sliku sudara dviju crnih rupa. U uobičajenim okolnostima takva spajanja ne bi trebala stvarati zamjetan elektromagnetski signal. No u aktivnoj galaktičkoj jezgri, gdje kroz okolinu neprestano kruže velike količine tvari, novonastala crna rupa ne ostaje izolirana. Prema modelu autora, nakon spajanja dobila je snažan trzaj zbog asimetrične emisije gravitacijskih valova i nastavila se velikom brzinom probijati kroz gust okolni plin.

U takvim uvjetima mogla je početi vrlo brzo gutati materijal koji joj se našao na putu, i to stopom koja višestruko premašuje Eddingtonovu granicu, prag iznad kojeg zračenje obično počinje kočiti daljnji dotok tvari. U magnetiziranom okolišu takav nagli i ekstremni priljev materijala mogao bi potaknuti nastanak relativističkih mlazova, uskih snopova čestica i zračenja izbačenih gotovo brzinom svjetlosti.

Autori upravo u tom procesu vide moguće objašnjenje opaženog bljeska gama-zračenja. Dok se mlaz probija kroz debeli disk plina, u okolnoj tvari stvara udarne valove. Energija pritom isprva ostaje zarobljena u gustoj sredini i zagrijava je, ali kada mlaz napokon izbije na površinu diska, fotoni mogu naglo pobjeći u svemir. Rezultat bi mogao biti kratki bljesak gama-zračenja, ali sa spektrom drukčijim od onoga koji se obično povezuje s drugim poznatim izvorima takvih bljeskova, poput spajanja neutronskih zvijezda. Upravo zato autori smatraju da njihov model dobro pristaje uz ono što je zabilježio Swift: neobično slabu početnu emisiju i neuobičajen rendgenski naknadni sjaj.

Ako se povezanost između S241125n i bljeska gama-zračenja potvrdi, posljedice bi bile velike. Astronomi bi dobili novu vrstu višeglasničkog događaja, u kojem isti kozmički proces proizvodi i gravitacijske valove i elektromagnetski signal. To bi otvorilo prostor za preciznije proučavanje okoliša u kojem se crne rupe spajaju, načina na koji nastaju mlazovi u gustoj tvari, ali i za pouzdanije mjerenje kozmičkih udaljenosti.

Takvi događaji mogli bi poslužiti kao neovisna mjerila kozmičkih udaljenosti, osobito ako se uspije identificirati galaksija domaćin i odrediti njezin crveni pomak.

Zato se sada traže dodatni tragovi koji bi mogli učvrstiti vezu između opaženih signala. Među njima su moguća zaostala orbitalna ekscentričnost u samom gravitacijskom signalu, kakva bi odgovarala dinamičnom okolišu akrecijskog diska aktivne galaktičke jezgre, te dublja opažanja područja neba iz kojeg je signal stigao, u potrazi za udaljenom galaksijom s aktivnom jezgrom. Ako se ti tragovi potvrde, ovaj bi događaj mogao postati jedan od najuvjerljivijih dosadašnjih pokazatelja da ni sudari crnih rupa nisu uvijek potpuno mračni.