Η άνευ προηγουμένου Ανακάλυψη της Μαύρης Τρύπας προκαλεί τη Φυσική

Οι φυσικοί της μαύρης τρύπας συζητούν με ενθουσιασμό αναφορές ότι οι ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων LIGO και Virgo έλαβαν πρόσφατα το σήμα μιας απροσδόκητα τεράστιας μαύρης τρύπας, μιας με μάζα που θεωρήθηκε ότι ήταν φυσικά αδύνατη.

«Η πρόβλεψη είναι όχι μαύρες τρύπες, ούτε λίγες» σε αυτό το εύρος μάζας, έγραψε ο Stan Woosley, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Santa Cruz, σε ένα email. "Αλλά φυσικά γνωρίζουμε ότι η φύση βρίσκει συχνά έναν τρόπο."

Η Quanta επικοινώνησε με επτά ειδικούς είπαν ότι είχαν ακούσει ότι μεταξύ των 22 αναταραχών βαρυτικών κυμάτων που ανιχνεύθηκαν από το LIGO και το Virgo από τον Απρίλιο, ένα από τα σήματα προήλθε από μια σύγκρουση που περιελάμβανε μια μαύρη τρύπα απροσδόκητου βάρους - υποτίθεται βαρύς όσο 100 ήλιοι. Τα μέλη της ομάδας LIGO/Virgo ούτε επιβεβαίωσαν ούτε διέψευσαν τη φημολογούμενη ανίχνευση.

[Ενημέρωση:Στις 2 Σεπτεμβρίου 2020, οι ερευνητές επιβεβαίωσαν ότι οι συγκρουόμενες μαύρες τρύπες είχαν μάζα 65 και 85 φορές μεγαλύτερη από αυτή του ήλιου μας. Η προκύπτουσα μαύρη τρύπα ήταν 150 φορές μεγαλύτερη από τον ήλιο. ]

Ο Chris Belczynski, ένας αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο της Βαρσοβίας, στο παρελθόν ένιωθε τόσο σίγουρος ότι δεν θα μπορούσε να δει ένα τόσο μεγάλο δείγμα που το 2017 έβαλε ένα στοίχημα με συναδέλφους του. «Πιστεύω ότι πρόκειται να χάσουμε το στοίχημα», είπε ο Μπελτσίνσκι, «και για το καλό της επιστήμης!»

Η προηγούμενη εμπιστοσύνη του Belczynski προήλθε από το γεγονός ότι μια τόσο μεγάλη μαύρη τρύπα δεν μπορεί να σχηματιστεί με τον συνηθισμένο τρόπο.

Οι μαύρες τρύπες — πυκνές σφαίρες με παράδοξα, των οποίων η βαρύτητα παγιδεύει τα πάντα, ακόμη και το φως — σχηματίζονται από τους συσταλόμενους πυρήνες των αστεριών που δαπανώνται σε καύσιμο. Αλλά το 1967, τρεις φυσικοί στο Εβραϊκό Πανεπιστήμιο στην Ιερουσαλήμ συνειδητοποίησαν ότι όταν ο πυρήνας ενός ετοιμοθάνατου αστεριού είναι πολύ βαρύς, δεν θα καταρρεύσει βαρυτικά σε μια μαύρη τρύπα. Αντίθετα, το αστέρι θα υποβληθεί σε ένα «supernova αστάθειας ζεύγους», μια έκρηξη που το εκμηδενίζει εντελώς μέσα σε λίγα δευτερόλεπτα, χωρίς να αφήνει τίποτα πίσω του. "Το αστέρι είναι εντελώς διασκορπισμένο στο διάστημα", έγραψαν οι τρεις φυσικοί.

Περιοδικό Lucy Reading-Ikkanda/Quanta; Πηγή:LIGO-P1800307-v7 Πίνακας III

Ένα σουπερνόβα αστάθειας ζεύγους συμβαίνει όταν ο πυρήνας γίνεται τόσο ζεστός που το φως αρχίζει να μετατρέπεται αυθόρμητα σε ζεύγη ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων. Η πίεση ακτινοβολίας του φωτός είχε κρατήσει ανέπαφο τον πυρήνα του άστρου. όταν το φως μετατρέπεται σε ύλη, η προκύπτουσα πτώση πίεσης αναγκάζει τον πυρήνα να συρρικνωθεί γρήγορα και να γίνει ακόμη πιο ζεστός, επιταχύνοντας περαιτέρω την παραγωγή ζεύγους και προκαλώντας ένα φαινόμενο φυγής. Τελικά ο πυρήνας ζεσταίνεται τόσο πολύ που το οξυγόνο αναφλέγεται. Αυτό αντιστρέφει πλήρως την έκρηξη του πυρήνα, έτσι ώστε να εκραγεί. Για πυρήνες με μάζα μεταξύ περίπου 65 και 130 φορές μεγαλύτερη από αυτή του ήλιου μας (σύμφωνα με τις τρέχουσες εκτιμήσεις), το αστέρι είναι εντελώς εξαφανισμένο. Πυρήνες μεταξύ περίπου 50 και 65 ηλιακών μαζών πάλλονται, απορρίπτοντας μάζα σε μια σειρά εκρήξεων μέχρι να πέσει κάτω από το εύρος όπου εμφανίζεται αστάθεια ζεύγους. Επομένως, δεν πρέπει να υπάρχουν μαύρες τρύπες με μάζες στην περιοχή 50 έως 130 ηλιακής μάζας.

«Η πρόβλεψη προέρχεται από απλούς υπολογισμούς», είπε ο Woosley, του οποίου η μελέτη του 2002 για αυτό το «κενό μάζας αστάθειας ζεύγους» θεωρείται οριστική.

Οι μαύρες τρύπες μπορεί να υπάρχουν στην άλλη πλευρά του χάσματος μάζας, που ζυγίζουν περισσότερες από 130 ηλιακές μάζες, επειδή η δραματική έκρηξη τέτοιων βαρέων αστρικών πυρήνων δεν μπορεί να σταματήσει, ακόμη και με σύντηξη οξυγόνου. Αντίθετα, συνεχίζουν να καταρρέουν και να σχηματίζουν μαύρες τρύπες. Αλλά επειδή τα αστέρια απορρίπτουν μάζα καθ 'όλη τη διάρκεια της ζωής τους, ένα αστέρι θα πρέπει να γεννηθεί με βάρος τουλάχιστον 300 ήλιοι για να καταλήξει σε πυρήνα 130 ηλιακής μάζας, και τέτοια μεγαθήρια είναι σπάνια. Για αυτόν τον λόγο, οι περισσότεροι ειδικοί υπέθεσαν ότι οι μαύρες τρύπες που ανιχνεύθηκαν από το LIGO και το Virgo θα πρέπει να ξεπερνούν τις 50 ηλιακές μάζες, το κάτω άκρο του χάσματος μάζας. (Οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες εκατομμυρίων και δισεκατομμυρίων ηλιακής μάζας που αγκυροβολούν τα κέντρα των γαλαξιών σχηματίστηκαν διαφορετικά, και μάλλον μυστηριωδώς, στο πρώιμο σύμπαν. Το LIGO και το Virgo δεν είναι μηχανικά ικανά να ανιχνεύσουν τις συγκρούσεις υπερμεγέθων μαύρων τρυπών.)

Τούτου λεχθέντος, μερικοί ειδικοί πρόβλεψαν με τόλμη ότι θα εμφανίζονταν μαύρες τρύπες στο χάσμα μάζας — εξ ου και το στοίχημα του 2017.

Σε μια συνάντηση τον Φεβρουάριο στο Aspen Center for Physics, ο Belczynski και ο Daniel Holz του Πανεπιστημίου του Σικάγο υποστήριξαν ότι «οι μαύρες τρύπες δεν πρέπει να υπάρχουν στο εύρος μάζας μεταξύ 55 και 130 ηλιακών μαζών λόγω αστάθειας των ζευγών» και επομένως ότι καμία δεν θα ανιχνευόταν μεταξύ των πρώτων 100 σημάτων του LIGO/Virgo. Ο Woosley αργότερα συνυπέγραψε με τους Belczynski και Holz.

Αλλά ο Carl Rodriguez του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης και ο Sourav Chatterjee του Ινστιτούτου Tata για Θεμελιώδεις Έρευνες στη Βομβάη της Ινδίας, μαζί με τον Fred Rasio του Πανεπιστημίου Northwestern, στοιχηματίστηκαν εναντίον τους, στοιχηματίζοντας ότι μια μαύρη τρύπα θα ανιχνευόταν πράγματι στο κενό μάζας, επειδή υπάρχει ένας κυκλικός τρόπος για να σχηματίσουν αυτά τα συν-.

Ενώ οι περισσότερες από τις συγκρουόμενες μαύρες τρύπες που κινούν τα όργανα του LIGO και της Παρθένου πιθανότατα προήλθαν από ζεύγη μεμονωμένων αστεριών (τα δυαδικά συστήματα αστεριών είναι κοινά στον κόσμο), ο Ροντρίγκεζ και οι συνυπογράφοντες του υποστηρίζουν ότι ένα κλάσμα των συγκρούσεων που ανιχνεύθηκαν συμβαίνουν σε πυκνά αστρικά περιβάλλοντα όπως το σφαιρικό σμήνος. Οι μαύρες τρύπες αιωρούνται η μία στη βαρύτητα της άλλης και μερικές φορές πιάνουν η μία την άλλη και συγχωνεύονται, όπως τα μεγάλα ψάρια που καταπίνουν μικρότερα σε μια λίμνη.

Μέσα σε ένα σφαιρωτό σμήνος, μια μαύρη τρύπα 50 ηλιακής μάζας θα μπορούσε να συγχωνευθεί με μια 30 ηλιακής μάζας, για παράδειγμα, και στη συνέχεια ο προκύπτων γίγαντας θα μπορούσε να συγχωνευθεί ξανά. Αυτή η συγχώνευση δεύτερης γενιάς είναι αυτό που μπορεί να είχε εντοπίσει το LIGO/Virgo - ένα τυχερό ψάρεμα του μεγάλου ψαριού στη λίμνη. "Αυτό μπορεί πραγματικά να συμβεί μόνο σε ομάδες", είπε ο Rodriguez. Εάν η φήμη είναι αληθινή, αυτός, ο Chatterjee και ο Rasio θα λάβουν από ένα μπουκάλι κρασί $100 από τους Belczynski, Holz και Woosley.

Αλλά υπάρχουν και άλλες πιθανές ιστορίες προέλευσης για την υποτιθέμενη μεγάλη μαύρη τρύπα. Ίσως ξεκίνησε σε ένα απομονωμένο δυαδικό σύστημα αστεριών. Αφού το πρώτο αστέρι κατέρρευσε σε μια μαύρη τρύπα, μπορεί να είχε μεγαλώσει αφαιρώντας την ύλη από το συνοδό του αστέρι. Αργότερα, το δεύτερο αστέρι θα είχε καταρρεύσει επίσης, και τελικά τα δύο θα είχαν συγκρουσθεί και συγχωνευθούν, στέλνοντας βαρυτικά κύματα που διαπερνούν το ιστό του χωροχρόνου.

Η ομάδα LIGO/Virgo ανακοινώνει γρήγορα κάθε πιθανό συμβάν βαρυτικών κυμάτων και την περιοχή του ουρανού από την οποία προήλθε, έτσι ώστε άλλα τηλεσκόπια να μπορούν να περιστρέφονται προς αυτή την κατεύθυνση. Ωστόσο, η ομάδα δεν έχει ακόμη δημοσιεύσει λεπτομερείς πληροφορίες σχετικά με οποιοδήποτε συμβάν από την τρέχουσα διαδικασία παρατήρησης που ξεκίνησε τον Απρίλιο, όπως τα συναγόμενα μεγέθη των αντικειμένων που συγκρούονται. Η ομάδα σχεδιάζει να τα αποκαλύψει όλα το αργότερο την άνοιξη του 2020. Εάν η υπερμεγέθης μαύρη τρύπα είναι μεταξύ των αποτελεσμάτων, η ανάλυση θα πρέπει επίσης να αποκαλύψει πόσο γρήγορα η τρύπα και ο σύντροφός της περιστρέφονταν όταν συγκρούστηκαν. Αυτές οι πληροφορίες θα βοηθήσουν να ευνοηθεί η μία ιστορία προέλευσης ή η άλλη, ή κανένα από τα δύο.

Η φήμη «μας ωθεί σε εναλλακτικούς μηχανισμούς σχηματισμού», είπε ο Chris Fryer, αστροφυσικός στο Εθνικό Εργαστήριο του Λος Άλαμος που έχει μελετήσει τον σχηματισμό δυαδικών μαύρων τρυπών και το χάσμα μάζας. "Σε κάθε περίπτωση θα είναι ένα συναρπαστικό γεγονός — αν είναι αλήθεια."

Όσο για τον Woosley, εξακολουθεί να αισθάνεται βέβαιος ότι το μαζικό χάσμα υπάρχει, παρά τις πιθανές εξαιρέσεις. "Ένα πιθανό αποτέλεσμα θα είναι ότι όταν έχουμε εκατοντάδες μαύρες τρύπες, θα δούμε πράγματι έναν γκρεμό γύρω στα 50", είπε, "αλλά με μερικά γεγονότα στο κενό, επειδή η φύση απεχθάνεται το κενό."

Αυτό το άρθρο ανατυπώθηκε στο TheAtlantic.com.