Undele gravitaționale record dezvăluie că găurile negre de dimensiuni medii există

Cel mai mare. Cel mai îndepărtat. Cel mai energic. O nouă detectare a undelor gravitaționale de la două găuri negre care se ciocnesc a adunat mai multe superlative.

Mai mult, marchează și prima observare definitivă a unei găuri negre cu masă intermediară, una cu o masă între 100 și 100.000 de ori masa soarelui. Acea gaură neagră de dimensiuni medii a fost creată atunci când cele două găuri negre progenitoare s-au unit pentru a forma una mai mare, cu aproximativ 142 de mase solare. Depășește semnificativ toate găurile negre detectate anterior prin intermediul undelor gravitaționale, ondulații care încrețesc spațiu-timp în urma unor evenimente extreme.

„Acesta este tipul mare pe care l-am așteptat, de cel mai mult timp”, spune Emanuele Berti, un fizician la Universitatea Johns Hopkins, care nu a fost implicat în cercetare. Unul dintre cei doi progenitori ai behemothului a fost el însuși atât de masiv încât oamenii de știință se gândesc cum să-i explice existența.

Detectate pe 21 mai 2019, undele gravitaționale au provenit dintr-o sursă aflată la aproximativ 17 miliarde de ani lumină de Pământ, ceea ce face ca aceasta să fie cea mai îndepărtată detecție confirmată până acum. Din cauza expansiunii universului, această distanță corespunde unui timp de călătorie de aproximativ 7 miliarde de ani, ceea ce înseamnă că undele gravitaționale au fost emise când universul avea aproximativ jumătate din vârsta sa actuală. Este, de asemenea, cel mai energetic eveniment văzut până acum, care iradiază de aproximativ opt ori echivalentul masei soarelui în energie, spune astrofizicianul Karan Jani de la Universitatea Vanderbilt din Nashville, membru al LIGO Scientific Collaboration. „Sper că merită propria sa înscriere în cartea recordurilor.”

Noul eveniment detronează deținătorul recordului anterior, o coliziune care a avut loc la aproximativ 9 miliarde de ani lumină distanță, care a radiat aproximativ cinci mase solare de energie și a creat o gaură neagră de 80 de mase solare (SN: 12/4/18).

Cercetătorii de la LIGO, sau Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, din Statele Unite și Advanced Virgo din Italia au raportat noua detectare pe 2 septembrie în două lucrări în Scrisori de revizuire fizică si Scrisori din jurnalul astrofizic.

În timp ce oamenii de știință știu despre găurile negre cu zeci de mase solare și altele cu milioane sau miliarde de mase solare, eșalonul intermediar a rămas evaziv. Presupusele observații anterioare de găuri negre cu masă intermediară au fost puse sub semnul întrebării (SN:1/22/16).

Dar, pentru noul eveniment, „nu există nicio îndoială”, spune astrofizicianul Cole Miller de la Universitatea din Maryland din College Park, care nu a fost implicat în studiu. „Acest lucru demonstrează că acum există cel puțin o gaură neagră cu masă intermediară în univers.”

Cei doi progenitori ai găurii negre au fost ei înșiși mai puternici decât orice s-au ciocnit înainte – la aproximativ 85 și 66 de ori masa soarelui. Asta îi derutează pe oamenii de știință cu privire la modul în care s-a făcut acest zdrobire.

În mod normal, fizicienii se așteaptă ca găurile negre implicate în aceste fuziuni să se fi format fiecare în prăbușirea unei stele pe moarte. Dar în noul eveniment, cel mai mare dintre perechi este atât de mare încât nu s-ar fi putut forma așa. Procesele cunoscute care se desfășoară în nucleul unei stele înseamnă că stelele care au masa potrivită pentru a forma o gaură neagră atât de mare s-ar destrăma complet, mai degrabă decât să lase în urmă un cadavru.

În schimb, s-ar putea ca una sau ambele găuri negre care se ciocnesc să fi fost formate dintr-o rundă anterioară de fuziuni ale găurilor negre, într-un grup aglomerat de stele și găuri negre (SN: 1/30/17). Asta ar crea un arbore genealogic care a început cu găuri negre suficient de ușoare pentru a se forma din stele care se prăbușesc.

Dar există o problemă cu explicația fuziunii multiple. De fiecare dată când găurile negre se îmbină, acea coalescență oferă o creștere a vitezei lor, care în mod normal ar lansa gaura neagră rezultată din cluster, prevenind fuziunile ulterioare.

Cu toate acestea, fuziunile la fel de masive precum noul eveniment par a fi foarte rare, având în vedere că LIGO și Virgo au detectat doar una. Asta înseamnă, spune Miller, „Doamne, ai voie să invoci o zână a dinților”, un proces relativ puțin probabil. Poate, spune el, lovitura ar putea fi uneori suficient de mică pentru ca găurile negre să rămână în grupul lor și să fuzioneze din nou.

Evenimentul undelor gravitaționale din 21 mai a fost raportat public anterior ca un candidat neconfirmat, pentru a permite astronomilor să caute fulgere de lumină pe cer care ar fi putut rezulta în urma coliziunii. Unii cercetători au sugerat că valurile ar fi putut fi asociate cu o erupție de lumină din centrul unei galaxii îndepărtate (SN: 25/06/2020). Dar acea galaxie este semnificativ mai aproape decât distanța indicată acum în noile lucrări, la aproximativ 8 miliarde de ani lumină de Pământ, mai degrabă decât 17 miliarde, ceea ce face explicația mai puțin plauzibilă.

Cu cât LIGO și Fecioara observă mai mult cerul, cu atât se poate aștepta să crească o mulțime de evenimente neobișnuite, spune Miller. „Vom avea un set de evenimente de tip „doamne, nu mă așteptam” la care sunt palpitante de gândit și extrem de informative despre univers.”