Greutatea găurii negre a declanșat un eveniment gravitațional

Detectarea recentă a undelor gravitaționale este o confirmare uluitoare a teoriilor lui Albert Einstein și începutul unui nou mod de a observa universul. Și în centrul tuturor se află un cuplu de celebrități: prima pereche cunoscută de găuri negre și cele mai masive găsite în afara nucleelor ​​galaxiilor.

Pe 14 septembrie, Observatorul de unde gravitaționale cu interferometru cu laser avansat, sau LIGO, a sesizat o perturbare în spațiu-timp cauzată de două găuri negre masive care s-au spart împreună (SN Online: 2/11/16). „Este o descoperire destul de incredibilă”, spune Vikram Ravi, astrofizician la Caltech. „Au văzut obiecte pe care cred că niciunul dintre noi în afara colaborării nu și-a imaginat că le-ar putea vedea.” Cu mase de 29 și 36 de sori, aceste găuri negre au fost aproximativ de două ori mai masive decât deținătorii anteriori de record.

Aceste mase de fapt nu sunt prea șocante, spune Jeffrey McClintock, un astrofizician la Centrul Harvard-Smithsonian pentru Astrofizică din Cambridge, Massachusetts. Stele foarte masive, deși rare, ar trebui să dea naștere la găuri negre foarte masive. Ceea ce ar fi fost mai surprinzător, spune el, este dacă LIGO nu a reușit să descopere găuri negre atât de mari. „Dacă cele mai apropiate 1.000 de stele ar fi fost investigate și nu am fi găsit nicio planetă, m-aș întoarce la biserică”, spune el. „Mă simt la fel despre două găuri negre de 30 de masă solară.”

Există găuri negre mai grele. Acei monștri trăiesc în centrele galaxiilor și pot cântări de miliarde de ori mai mult decât soarele. Dar sunt animale complet diferite, probabil construite pe măsură ce galaxiile se ciocnesc. Găurile negre precum cele detectate de LIGO se nasc atunci când o stea masivă moare. Și având în vedere masele lor, „probabil s-au format într-un mediu destul de diferit decât Calea Lactee”, spune Ravi.

Cât de multă masă ajunge o stea la sfârșitul vieții depinde parțial de stocul său de elemente mai grele decât heliul. Atomi precum carbonul, magneziul și fierul prezintă ținte mai mari luminii care scapă de o stea. Pe măsură ce lumina se îndreaptă spre exterior, se lovește de acești atomi, care, la rândul lor, împinge gazul din jur. Elementele grele se comportă ca niște pluguri de zăpadă atașate de fotoni, diminuând masa stelei pe măsură ce lumina radiază în spațiu. Pentru a face găuri negre la fel de masive ca cele ale LIGO, stelele originale trebuie să fi avut mai puține dintre aceste elemente grele decât stelele tipice din cartierul nostru, relatează echipa LIGO pe 11 februarie în Scrisori din jurnalul astrofizic.

O posibilitate este că stelele s-au format devreme în univers înainte ca elementele grele să aibă șansa de a se acumula. La cealaltă extremă, stelele s-ar fi putut forma mai recent într-un buzunar relativ apropiat (sau local) și curat, cum ar fi o galaxie pitică. „Cu o singură observație, este imposibil de spus dacă este de o parte a continuumului sau de cealaltă parte”, spune Vicky Kalogera, astrofizician LIGO la Universitatea Northwestern din Evanston, Illinois.

Cele mai bune estimări indică coliziunea într-o galaxie la aproximativ 1,3 miliarde de ani lumină depărtare (dați sau luați câteva sute de milioane de ani lumină) pe cerul sudic, aproximativ în direcția Norilor Magellanic, doi sateliți ai Căii Lactee. O a treia facilitate LIGO, cum ar fi cea propusă pentru India, va ajuta la restrângerea pozițiilor precise ale detecțiilor viitoare. La fel ar fi o explozie simultană de radiații electromagnetice de la locul unei coliziuni. LIGO are acorduri cu telescoape din întreaga lume (și din spațiu) pentru a fi cu ochii pe orice fulger de lumină care apar în același timp cu detectarea undelor gravitaționale. Pentru debutul LIGO, niciun observator nu a raportat nimic definitiv. Dar satelitul cu raze gamma Fermi a văzut ceva interesant, a raportat astrofizicianul Valerie Connaughton și colegii săi online, pe 14 februarie, pe arXiv.org.

„Am găsit un mic blip care este mai slab decât orice ne-am uita în mod normal”, spune Connaughton, de la Asociația de Cercetare Spațială a Universităților din Huntsville, Ala. La 0,4 secunde după detectarea LIGO, Fermi a înregistrat o fulgerare foarte slabă de raze gamma. „În mod normal, nu am scoate-o niciodată din date”, spune ea. Cercetătorii nu pot identifica cu precizie de unde a venit explozia, dar direcția este aproximativ în concordanță cu cea a lui LIGO.

Dacă coliziunea găurii negre a eliberat razele gamma, teoreticienii vor avea câteva explicații de făcut. Fuzionarea găurilor negre nu ar trebui să elibereze nicio radiație electromagnetică. Doar atunci când stelele cu neutroni se implică, telescoapele ar trebui să vadă fulgerări de lumină. În timpul unui apel telefonic recent cu colegii despre datele Fermi, „teoreticienii se certau deja între ei”, spune Connaughton.

Dar înainte ca teoreticienii să devină prea agitați, cercetătorii trebuie să-și dea seama dacă ceea ce a văzut Fermi a avut vreo legătură cu găurile negre ale LIGO. „Cu siguranță nu spunem că am văzut un [electromagnetic] omologul”, spune Connaughton. Ar putea fi doar o coincidență. Pe parcursul a aproape 67 de ore de observare în septembrie, Fermi a văzut 27 de explozii de raze gamma similare. Singura modalitate de a fi sigur este să așteptați mai multe detectări LIGO. „Dacă este real, nu va fi unul unic”, spune ea.

Detectarea de debut a LIGO a apărut în timpul unui test de rulare în septembrie; cercetătorii analizează în prezent datele LIGO acumulate pe parcursul celor patru luni care au urmat, iar o altă cursă științifică este planificată pentru sfârșitul acestui an. Echipa este optimistă cu privire la șansele lor de a găsi mai multe evenimente. LIGO ar fi putut simți o coliziune între două găuri negre de 30 de masă solară la aproximativ 6 miliarde de ani lumină distanță. Având în vedere că cercetătorii au găsit una (până acum) în 16 zile de date și presupunând că este vorba de câteva săptămâni tipice în univers, atunci cercetătorii estimează că între două și 53 de coliziuni similare au loc per gigaparsec cub pe an. (Un gigaparsec cub este un volum de spațiu de aproximativ 4 miliarde de ani lumină.)

Dacă aceste estimări sunt corecte, oamenii de știință cred că LIGO ar fi putut detecta până la aproximativ 10 coliziuni similare în primele patru luni de funcționare și, posibil, sute odată ce instalația funcționează la sensibilitate maximă. Și asta nu include ciocnirile de găuri negre cu mase diferite, zdrobirile de stele neutroni sau orice alte calamități cosmice care ar putea zgudui spațiu-timpul.

Pe măsură ce se găsesc mai multe coliziuni, astronomii ar trebui să înțeleagă mai bine locul în care se formează găurile negre binare. „S-ar putea să descoperim că toate sunt în universul local și niciunul în universul timpuriu”, spune Kalogera. Și asta le-ar spune cercetătorilor ceva despre modul în care formarea stelar masivă s-a schimbat de-a lungul istoriei cosmice. „Acum avem așteptări mari pentru un eșantion mai mare în viitorul apropiat.”