Τελευταία LIGO:Οι διαστημικοί κυματισμοί μπορεί να ξεμπερδέψουν το ταγκό της μαύρης τρύπας
Οι φυσικοί που εργάζονται με το Παρατηρητήριο Βαρυτικών Κυμάτων Συμβολομέτρου Λέιζερ (LIGO) εντόπισαν μια τρίτη συγχώνευση μαύρων οπών, τα εξαιρετικά έντονα βαρυτικά πεδία που άφησαν πίσω τους όταν καταρρέουν τεράστια αστέρια. Αυτή τη φορά, το λεπτό τρέμουλο του χωροχρόνου που σηματοδότησε τη συγχώνευση αποκάλυψε επίσης ένα βασικό χαρακτηριστικό των μαύρων οπών:τις περιστροφές τους, οι οποίες ήταν εκτός στροφών. Αυτό θα μπορούσε να βοηθήσει στην αποκάλυψη του τρόπου με τον οποίο οι μαύρες τρύπες συνδυάστηκαν αρχικά.
«Αυτές οι μαύρες τρύπες δεν είναι σαν δύο ευθυγραμμισμένοι ανεμοστρόβιλοι που περιφέρονται ο ένας γύρω από τον άλλον, αλλά σαν δύο ανεμοστρόβιλοι με κλίση», λέει η Laura Cadonati, φυσικός στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Τζόρτζια στην Ατλάντα και αναπληρώτρια εκπρόσωπος των 1000 επιστημόνων που εργάζονται με το LIGO. "Αυτό μπορεί να έχει επιπτώσεις στα σενάρια σχηματισμού."
Τον Σεπτέμβριο του 2015, οι γιγάντιοι ανιχνευτές LIGO στο Λίβινγκστον της Λουιζιάνα και στο Χάνφορντ της Ουάσιγκτον, ανίχνευσαν βαρυτικά κύματα από δύο μαύρες τρύπες που ζύγιζαν 29 και 36 φορές περισσότερο από τον ήλιο, καθώς σπειροειδώς συνέρρεαν και έγιναν ένα. Τρεις μήνες αργότερα, οι ανιχνευτές εντόπισαν μια συγχώνευση ελαφρύτερων μαύρων τρυπών. Το πώς σχηματίζονται τέτοιες μαύρες τρύπες αστρικής μάζας δεν είναι μυστήριο:Καθεμία ξεκινάει ως ένα τεράστιο αστέρι. Τελικά εξαντλείται το καύσιμο υδρογόνου και φουσκώνει σε γίγαντα. Μερικές εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια αργότερα, η πυρηνική σύντηξη στον πυρήνα της δεν μπορεί πλέον να καταπολεμήσει τη βαρύτητα και καταρρέει σε μια μαύρη τρύπα, δημιουργώντας συνήθως μια έκρηξη σουπερνόβα.
Αλλά οι θεωρητικοί αγωνίζονται να εξηγήσουν πώς τέτοιες μαύρες τρύπες θα μπορούσαν να σχηματίσουν ζεύγη. «Ό,τι και να μαγειρεύεις, πρέπει να εκπληρώνει δύο πράγματα», λέει η Σέλμα ντε Μινκ, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο του Άμστερνταμ. «Πρέπει να δημιουργήσει δύο τεράστιες μαύρες τρύπες και πρέπει να είναι αρκετά κοντά» για να συγχωνευθούν στην εποχή του σύμπαντος. Ένα ζευγάρι μαύρων τρυπών θα μπορούσε να γεννηθεί από τεράστια αστέρια που καταρρέουν ενώ περιφέρονται το ένα γύρω από το άλλο. Ή οι μαύρες τρύπες θα μπορούσαν να σχηματιστούν πρώτα και να ζευγαρώσουν αργότερα. Αλλά οποιοδήποτε σενάριο είναι πιο δύσκολο από ό,τι ακούγεται.
Τα γιγάντια δυαδικά αστέρια, για παράδειγμα, συνήθως παράγουν μαύρες τρύπες ελαφρύτερες από αυτές που βλέπει το LIGO και πολύ μακριά μεταξύ τους για να συγχωνευθούν. Έτσι, σύμφωνα με μια βασική θεωρία, τα αστέρια πρέπει να ξεκινήσουν αρκετά κοντά μεταξύ τους για να ανταλλάξουν την ύλη καθώς εξελίσσονται. Όταν ένα αστέρι καταρρέει, η προκύπτουσα μαύρη τρύπα και το άλλο αστέρι περιστρέφονται στροβιλιζόμενοι μέσα από ένα "κοινό περίβλημα" αερίου - κυριολεκτικά το εξωτερικό στρώμα του άστρου. Στη συνέχεια, η τριβή εξαντλεί την ενέργειά τους και τους φέρνει πιο κοντά. Η κατάρρευση του δεύτερου αστέρα αφήνει δύο μαύρες τρύπες σε μια σφιχτή τροχιά. Ωστόσο, ορισμένοι ερευνητές λένε ότι αυτό το κοινό σενάριο φακέλου απαιτεί περισσότερη "λεπτή ρύθμιση" από ό,τι τους αρέσει.
Εναλλακτικά, οι μαύρες τρύπες θα μπορούσαν να σχηματιστούν πρώτα και να συνδεθούν αργότερα. Ωστόσο, όταν δύο περιπλανώμενες μαύρες τρύπες διασταυρώνονται στο διάστημα, απλώς αιωρούνται η μία γύρω από την άλλη και ακολουθούν χωριστούς δρόμους. Για να σχηματιστεί ένα ζευγάρι, τουλάχιστον ένα άλλο αστρικό αντικείμενο πρέπει να ενταχθεί στη διαδικασία σε ένα λεγόμενο κανάλι δυναμικού σχηματισμού, λέει ο Carl Rodriguez, αστροφυσικός στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης (MIT) στο Κέμπριτζ.
Για παράδειγμα, δύο δυαδικά αρχεία που αποτελούνται από ένα αστέρι και μια μαύρη τρύπα θα μπορούσαν να συναντηθούν. Σε μια περίπλοκη ανταλλαγή, οι μαύρες τρύπες θα μπορούσαν να ζευγαρώσουν, ενώ πετούσαν έξω τα αστέρια. Στη συνέχεια, οι συναντήσεις με άλλα αστέρια θα μπορούσαν να αποσπάσουν περισσότερη ενέργεια και γωνιακή ορμή και να τραβήξουν τις μαύρες τρύπες πιο κοντά. Η μοντελοποίηση δείχνει ότι τέτοιες συναντήσεις θα μπορούσαν να πραγματοποιηθούν σε πυκνά αστρικά σμήνη. Ωστόσο, ορισμένοι ερευνητές αμφισβητούν εάν τα σμήνη μπορούν να δημιουργήσουν τόσα ζεύγη μαύρων τρυπών όσα φαίνεται να βλέπει το LIGO.
Πώς δύο μαύρες τρύπες που ζευγαρώνουν πρέπει να φαίνονται μέσα στις περιστροφές τους. Εάν οι μαύρες τρύπες ξεκίνησαν ως ζευγαρωμένα αστέρια, τότε θα πρέπει να περιστρέφονται προς την ίδια κατεύθυνση με τον τροχιακό τους άξονα. Εάν οι μαύρες τρύπες σχηματίζονταν πριν ζευγαρώσουν, τότε θα μπορούσαν να περιστρέφονται προς οποιαδήποτε κατεύθυνση. "Εάν οι μαύρες τρύπες δεν περιστρέφονταν προς την ίδια κατεύθυνση με την τροχιά, αυτό θα ήταν πιθανώς μια πολύ καλή ένδειξη του καναλιού δυναμικού σχηματισμού", λέει ο Rodriguez.
Στις 4 Ιανουαρίου, το LIGO εντόπισε μαύρες τρύπες 31 και 19 ηλιακών μαζών να σπειροειδώς μαζί σε απόσταση 3 δισεκατομμυρίων ετών φωτός από τη Γη. Συγκρίνοντας τον δεύτερο μεγάλο κυματισμό που συλλέχθηκε από τους ανιχνευτές με προηγουμένως υπολογισμένες «κυματομορφές», η ομάδα LIGO προσδιόρισε πόσο στενά ευθυγραμμίζονται οι περιστροφές των μαύρων οπών με τον τροχιακό τους άξονα. Οι μαύρες τρύπες με τυχαία ευθυγραμμισμένες περιστροφές συγχωνεύονται σχετικά γρήγορα, εξηγεί ο Cadonati. Αλλά αν οι περιστροφές ευθυγραμμίζονται με τον τροχιακό άξονα, η επιπλέον γωνιακή ορμή επιβραδύνει τη συγχώνευση, τεντώνοντάς την για μερικές ακόμη τροχιές. (Παρόμοιες αναλύσεις των προηγούμενων γεγονότων ήταν διφορούμενες.)
Οι ερευνητές του LIGO ανακάλυψαν ότι οι περιστροφές της μαύρης τρύπας δεν ήταν ευθυγραμμισμένες και ότι υπάρχει 80% πιθανότητα τουλάχιστον μία από αυτές να περιστρέφεται γενικά με την αντίθετη έννοια της τροχιακής κίνησης. Σε αυτήν την περίπτωση, τουλάχιστον, το σενάριο δυναμικής σύζευξης φαίνεται πιο πιθανό.
Με ένα μόνο γεγονός να συνεχιστεί, είναι πολύ νωρίς για να πούμε ποιο σενάριο είναι πιο συνηθισμένο συνολικά, λέει ο Cadonati. «Θα πρέπει να δούμε περισσότερα από αυτά τα πράγματα για να περιορίσουμε τα μοντέλα», λέει. Το να δείτε αρκετά από αυτά μπορεί να πάρει χρόνο. Το LIGO θα τελειώσει την τρέχουσα λειτουργία του τον Αύγουστο, λέει ο David Shoemaker, φυσικός στο MIT και εκπρόσωπος της επιστημονικής συνεργασίας LIGO. Στη συνέχεια, οι ερευνητές θα αφιερώσουν 12 έως 18 μήνες προσπαθώντας να ενισχύσουν την ευαισθησία των μηχανών, η οποία έχει βελτιωθεί ελάχιστα από την περίοδο 2015–16.
