Επιταχυνόμενες Συγχωνεύσεις Μαύρων Τρυπών:Αποκαλύπτοντας Κοσμικά Μυστικά
Ο σπειροειδής χορός ενός ζευγαριού μαύρων τρυπών που συγκρούονται θα πρέπει να διαρκέσει δισεκατομμύρια χρόνια. Ωστόσο, έχουμε πιάσει περίπου 10 συγκρούσεις μαύρης τρύπας από το 2016 — πολύ περισσότερες από ό,τι θα περιμέναμε. Πρέπει να υπάρχει κάποια διαδικασία για να επιταχυνθεί η διαδικασία σύγκρουσης, για να ενωθούν οι μαύρες τρύπες πιο γρήγορα από ό,τι αναμενόταν.
Το πρόβλημα ξεκινά πριν σχηματιστούν οι μαύρες τρύπες. Οι μαύρες τρύπες είναι ουσιαστικά νεκρά λείψανα τεράστιων αστεριών. Καθώς αυτά τα προγονικά αστέρια γερνούν, περνούν από μια φάση κατά την οποία επεκτείνονται σε υπεργίγαντες αστέρες αρκετές φορές το αρχικό τους μέγεθος. Σε αυτό το σημείο, εάν δύο αστέρια βρίσκονται σε τροχιά κοντά μεταξύ τους, το ένα θα ενταχθεί στο άλλο και το ζεύγος θα συγκρουστεί πριν γίνει μαύρη τρύπα.
Αυτό υποδηλώνει ότι οποιοδήποτε ζεύγος μεγάλων μαύρων τρυπών πρέπει να ξεκινήσει την ύπαρξή του σε εξαιρετικά μεγάλη απόσταση μεταξύ τους - τόσο μακριά που οι συγκρούσεις θα είναι εξαιρετικά σπάνιες. Κι όμως, τέτοιες συγκρούσεις είναι αρκετά συχνές. «Εμείς οι θεωρητικοί, μας αρέσει πολύ όταν υπάρχει ένα νέο παζλ γύρω», είπε ο Smadar Naoz, ένας θεωρητικός αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Λος Άντζελες. "Όλοι πηδούν με νέες ιδέες."
Λοιπόν, πώς μπορείτε να αποκτήσετε σφιχτοδεμένα ζευγάρια μαύρων τρυπών που δεν ήταν ποτέ σφιχτοδεμένα ζευγάρια υπεργιγάντων αστεριών; Μια πιθανή εξήγηση υποστηρίζει ότι δύο τεράστια αστέρια θα μπορούσαν να ξεκινήσουν μακριά και να πλησιάσουν πιο κοντά καθώς καταρρέουν σε μαύρες τρύπες. Ή ίσως μερικά αστέρια καταρρέουν χωρίς ποτέ να πέφτουν με αερόστατο σε υπεργίγαντα αστέρια ή μοναχικές μαύρες τρύπες συναντώνται η μία την άλλη και δένονται για να σχηματίσουν ζεύγη.
Τα τελευταία χρόνια, μια άλλη ιδέα εμφανίστηκε. Κάτω από τις κατάλληλες συνθήκες, ένα τρίτο αντικείμενο μπορεί να ενεργοποιήσει μια διαδικασία που φέρνει ένα ζεύγος αντικειμένων πιο κοντά μεταξύ τους. Αυτό το φαινόμενο τριών σωμάτων παρέχει έναν τρόπο για τα τεράστια αστέρια που βρίσκονται σε απόσταση μεταξύ τους να καταρρεύσουν πρώτα σε μαύρες τρύπες και στη συνέχεια να πλησιάσουν αρκετά ώστε να συγκρουστούν. Και επειδή τα τεράστια αστέρια βρίσκονται συχνά σε τριπλά συστήματα, οι ερευνητές λένε ότι είναι σημαντικό να λαμβάνεται υπόψη αυτό το φαινόμενο των τριών σωμάτων.
Για να καταλάβετε πώς μπορεί να λειτουργήσει αυτή η διαδικασία, φανταστείτε τη Γη και το φεγγάρι να περιστρέφονται το ένα γύρω από το άλλο. Αυτά τα δύο θα ανιχνεύουν σταθερές τροχιές γύρω από το κοινό κέντρο μάζας τους σχεδόν επ' αόριστον — εκτός αν κάτι παρεμβαίνει.
Ένα τρίτο αντικείμενο δεν θα επηρέαζε απαραίτητα τη σταθερότητα του συστήματος Γης-Σελήνης, εφόσον τα τρία αντικείμενα περιστρέφονται στο ίδιο επίπεδο επίπεδο (όπως κάνουν τα περισσότερα αντικείμενα στο ηλιακό σύστημα).
Ωστόσο, τα αντικείμενα στο διάστημα δεν περιορίζονται, γενικά, σε μια ενιαία, επίπεδη επιφάνεια. Φανταστείτε το τρίτο αντικείμενο να περιστρέφεται γύρω από το σύστημα Γης-Σελήνης υπό γωνία, έτσι ώστε οι τροχιές να μην είναι ευθυγραμμισμένες. Εάν η γωνία μεταξύ των τροχιών είναι αρκετά μεγάλη, τα βαρυτικά φαινόμενα από το τρίτο αντικείμενο θα μπορούσαν να επηρεάσουν τις τροχιές της Γης και της Σελήνης. Τα μονοπάτια τους θα εκτείνονται σε μεγάλες ελλείψεις, οι οποίες απομακρύνουν τα αντικείμενα πολύ πιο μακριά πριν τα ταλαντεύσουν πολύ πιο κοντά μεταξύ τους. Όταν είναι πιο κοντά, άλλα εφέ μπορεί να έρθουν για να συρρικνώσουν ακόμη περισσότερο τις τροχιές τους. Τελικά, η Γη και η Σελήνη θα μπορούσαν να συγκρουστούν μεταξύ τους, με κατακλυσμικές συνέπειες και για τους δύο.
Περιοδικό Lucy Reading-Ikkanda/Quanta
Στον κόσμο των μαύρων τρυπών, αυτή η διαδικασία τριών σωμάτων, ή «κανάλι», έρχεται σε μερικές διαφορετικές γεύσεις. Το τρίτο αντικείμενο θα μπορούσε να είναι μια μαύρη τρύπα αστρικής μάζας ή ένα τεράστιο αστέρι που δεν έχει ακόμη καταρρεύσει σε ένα. Θα μπορούσε ακόμη και να είναι μια από τις υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες που βρίσκονται στα κέντρα των περισσότερων γαλαξιών. Σε αυτή την περίπτωση, δύο τεράστια αστέρια στο γαλαξιακό κέντρο καταρρέουν για να γίνουν μαύρες τρύπες. Αυτό το ζευγάρι μικρότερων μαύρων οπών και η υπερμεγέθης μαύρη τρύπα δημιουργούν στη συνέχεια ένα σύστημα τριών σωμάτων. Η υπερμεγέθης μαύρη τρύπα μπορεί ακόμη και να προκαλέσει ειδικά εφέ της γενικής σχετικότητας που καθιστούν το ζεύγος των μικρότερων μαύρων τρυπών πιο πιθανό να συγχωνευθεί, ανέφεραν οι ερευνητές σε ένα έγγραφο που δημοσιεύτηκε στον επιστημονικό ιστότοπο προεκτύπωσης arxiv.org τον Ιούνιο.
«Η ομορφιά αυτού του καναλιού είναι ότι υπάρχουν πολύ λίγες αβεβαιότητες στον τρόπο με τον οποίο συγχωνεύονται οι μαύρες τρύπες», δήλωσε ο Fabio Antonini, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο του Surrey, ο οποίος έχει δημοσιεύσει αρκετές εργασίες για την ιδέα. "Είναι απλώς βαρύτητα, είναι απλώς δυναμική."
Αλλά όπως κάθε ένα από τα άλλα προτεινόμενα κανάλια σχηματισμού για συγχωνεύσεις μαύρων οπών, η τριπλή διαδικασία έχει κομμάτια που οι ερευνητές πρέπει ακόμα να καταλάβουν. Για παράδειγμα, δεν είναι σαφές πόσο συχνά οι τροχιές στα συστήματα τριών αστέρων θα έχουν αρκετή γωνία ώστε να ενεργοποιηθεί το φαινόμενο.
Ένα κεντρικό πλεονέκτημα αυτής της ιδέας είναι ότι μπορεί να δοκιμαστεί. Οι μαύρες τρύπες που συγχωνεύονται μέσω της τριπλής διαδικασίας θα πρέπει να έχουν τροχιές λιγότερο κυκλικές ή πιο εκκεντρικές από αυτές των μαύρων οπών που συγχωνεύονται από ένα αδιατάρακτο δυαδικό σύστημα. Οι επιστήμονες μπορεί να είναι σε θέση να μετρήσουν τις εκκεντρότητες των τροχιών των μαύρων τρυπών στο εγγύς μέλλον, δήλωσε ο Daniel Holz, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο και μέλος της συνεργασίας LIGO, που αναζητά τα βαρυτικά κύματα που προέρχονται από συγκρούσεις μαύρων τρυπών.
«Μέρος αυτού που τους κάνει συναρπαστικούς είναι ότι μπορεί να καταλήξετε με συστήματα, για παράδειγμα, με υψηλή εκκεντρικότητα», είπε ο Holz, ο οποίος δεν μελετά τη διαδικασία του τριπλού συστήματος. "Και αν αυτό είναι κάτι που θα μπορούσατε να μετρήσετε, τότε αυτό θα ήταν κάπως ένα όπλο που καπνίζει ότι κάτι φανταχτερό συμβαίνει."
Οι περιστροφές των μαύρων οπών μπορεί επίσης να πουν στους επιστήμονες εάν μια συγχώνευση μαύρης τρύπας συνέβη λόγω μιας διαδικασίας τριπλού συστήματος. Εάν ένα δυαδικό σύστημα μαύρης τρύπας σχηματίστηκε μέσω της εξέλιξης δύο αστεριών χωρίς την επίδραση άλλων σωμάτων, θα πρέπει να περιστρέφονται και να περιφέρονται λίγο πολύ προς την ίδια κατεύθυνση - όπως δύο παγοδρομητές που περιστρέφονται δεξιόστροφα καθώς κάνουν πατινάζ δεξιόστροφα ο ένας γύρω από τον άλλο. Αλλά σύμφωνα με την εργασία αστροφυσικών όπως ο Dong Lai και ο Bin Liu του Πανεπιστημίου Cornell, η παρεμβολή από άλλα αντικείμενα, όπως ένα τρίτο σώμα σε ένα τριπλό σύστημα, μπορεί να γείρει τις τροχιές της μαύρης τρύπας έτσι ώστε οι τροχιακοί άξονες και οι άξονες περιστροφής τους να βρίσκονται σε γωνία μεταξύ τους. Το αποτέλεσμα είναι δύσκολο να μετρηθεί άμεσα με την τρέχουσα τεχνολογία, αλλά οι ερευνητές ελπίζουν να βρουν έξυπνους νέους τρόπους για να συμπεράνουν αυτές τις ευθυγραμμίσεις περιστροφής.
Έτσι, ενώ είναι ακόμη πολύ νωρίς για να πούμε ακριβώς πώς οι μαύρες τρύπες πλησιάζουν αρκετά για να συγχωνευθούν, οι ερευνητές κρατούν το πρόβλημα ως παράδειγμα για το γιατί οι ανιχνεύσεις βαρυτικών κυμάτων είναι τόσο σημαντικές. «Δεν θέλετε να έχετε απλώς παρατηρήσεις βαρυτικών κυμάτων για χάρη τους», είπε ο Ilya Mandel, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο Monash στην Αυστραλία. "Θέλετε να τα χρησιμοποιήσετε ως ανιχνευτές για να μελετήσετε πράγματα που διαφορετικά είναι δύσκολο να κατανοηθούν και δύσκολο να μετρηθούν άμεσα."
