Fizičari su prije desetak godina prvi put detektirali sitne valove koji se šire prostorom, a prouzročile su ih dvije crne rupe dok su se zbližavale u sudaru koji je potresao kozmos. Sada smo se napokon možda približili rješenju zagonetke koja stručnjacima od tada zadaje glavobolje: kako nastaju ti parovi crnih rupa? Laserski interferometrijski opservatorij gravitacijskih valova LIGO, sa svoja dva golema optička objekta u saveznim državama Louisiani i Washingtonu, te detektor Virgo u Italiji zabilježili su više od 300 takvih spajanja. Statistička istraživanja podataka u posljednjih nekoliko mjeseci utvrdila su da se, suprotno izvornim očekivanjima, parovi crnih rupa dijele u tri vrste, a nastaju na tri različita načina.
„Čak ni prije dvije godine nismo imali koherentnu sliku događaja. Sada stvari počinju sjedati na svoje mjesto”, kaže Vicky Kalogera, astrofizičarka sa Sveučilišta Northwestern i jedna od autorica nove studije. Daniel Holz, teorijski astrofizičar sa Sveučilišta u Chicagu, koji nije sudjelovao u istraživanjima, smatra da rezultati potvrđuju snagu statističkih metoda kojima se mogu otkriti „podpopulacije” spajanja, iako je gotovo svako spajanje izmjereno prenepouzdano da bi se samo po sebi moglo kategorizirati.
Kozmička koreografija
Crna rupa je iznimno snažno gravitacijsko polje koje ostaje kad se jezgra masivne zvijezde sruši u iznimno malen dio prostora. Kad se dvije crne rupe udruže u par i padaju jedna prema drugoj krećući se znatnim dijelom brzine svjetlosti, emitiraju spiralne gravitacijske valove. LIGO i Virgo, koji mjere privremena rastezanja i stezanja prostora, te valove registriraju kao kratke oscilacijske signale čija frekvencija i amplituda rastu prije stvarnog spajanja crnih rupa.
Prije rezultata LIGO-a teorijski fizičari smatrali su vjerojatnima dva opća načina na koje crne rupe mogu stvoriti par. Mogu nastati od dviju zvijezda koje su, nastavši iz istog vrtložnog oblaka plina, kružile jedna oko druge – to su takozvane „poljske dvojne”. Ili se mogu oblikovati zasebno, a zatim se spojiti u gravitacijskoj interakciji u kojoj se treći objekt izbacuje iz sustava. Najvjerojatnija mjesta takvih dinamičkih spajanja su guste zvjezdane skupine bogate crnim rupama.
Da bi razlikovali pojedine vrste stvaranja parova, istraživači LIGO-a i Virga – kao i njihovi japanski kolege iz detektora gravitacijskih valova Kamioka (KAGRA) – proučavali su smjer vrtnje crnih rupa.
Crne rupe iz poljske dvojne moraju se vrtjeti u istom smjeru dok kruže jedna oko druge. Kad se pak crne rupe spoje nakon što su se oblikovale, smjer njihove vrtnje je nasumičan.
Izvođenje smjera vrtnje crnih rupa iz signala gravitacijskih valova nije jednostavan zadatak. Ako se dva objekta vrte otprilike u istom smjeru, kutna količina gibanja koja proizlazi iz vrtnje produljuje valne signale. Ako su smjerovi vrtnje otprilike suprotni, signal je kraći. A ako osi vrtnje leže u ravnini staze, ravnina može precesirati, odnosno njihati se, što može uzrokovati nestabilnost signala.
Novi katalog
Nikako nije bilo sigurno da oba mehanizma stvaraju parove sličnim tempom, pa su stručnjaci pretpostavljali da će jedan ili drugi mehanizam dominirati, kaže Sharan Banagiri, astrofizičar gravitacijskih valova sa Sveučilišta Monash. Ta se teorija, međutim, spektakularno pokazala pogrešnom, nastavlja stručnjak.
Kako su se bilježili uzastopni događaji, nije se ocrtavao jasan obrazac. Istodobno su teorijski fizičari shvatili da se i signali mogu tumačiti manje jednoznačno nego što se isprva mislilo. Parovi koji dinamički nastaju u disku oko supermasivne crne rupe u središtu galaksije mogli bi se vrtjeti u istom smjeru, oponašajući poljske dvojne. A u poljskim dvojnim eksplozija supernove koja prvu zvijezdu pretvara u crnu rupu može drastično promijeniti smjer osi i vrtnju druge zvijezde.
Najnovije statističke analize javnih podataka LIGO-Virgo-KAGRA pokazuju da se parovi crnih rupa dijele u najmanje tri vrste.
Kod parova male mase – u kojima je masa veće crne rupe manja od otprilike 10 sunčevih masa – os vrtnje je u pravilu paralelna s osi putanje, a njihove mase nisu nužno jednake, što je u skladu s nastankom iz poljske dvojne. Ako je masa teže crne rupe između 10 i 30 sunčevih masa, vrtnja parova obično je nasumično raspoređena, a mase su im slične, što je u skladu s dinamičkim mehanizmom koji učinkovitije povezuje crne rupe približno jednake mase.
Ako masa teže crne rupe premašuje 30 sunčevih masa, brzina vrtnje crnih rupa može se približiti teorijskom maksimumu određenom njihovom masom, a masa lakše crne rupe u pravilu iznosi otprilike polovicu mase teže. Ta svojstva upućuju na takozvano hijerarhijsko spajanje – dinamičko spajanje u kojem je i sama teža crna rupa rezultat ranijeg spajanja. U tom slučaju veća crna rupa brzo se vrti jer je naslijedila kutnu količinu gibanja iz orbitalnog gibanja svojih prethodnica.
Modeli i vjerojatnosti
U statističkim analizama primijenjeni su različiti pristupi. Banagiri, Paul Lasky i njihovi kolege sa Sveučilišta Monash broj vrsta crnih rupa tretirali su kao varijablu te su primijenili bayesovsku statistiku da bi pokazali da podaci podupiru tri vrste, a ne više, kako su početkom mjeseca u časopisu Physical Review Letters izvijestili. Sylvia Biscoveanu, astrofizičarka sa Sveučilišta Princeton, i njezini kolege primijenili su sličan pristup, a rezultate su objavili na poslužitelju preprintova arXiv u svojoj studiji. Nasuprot tome, Anarya Ray, Kalogera i njihovi kolege sa Sveučilišta Northwestern pošli su od toga da postoje tri vrste parova crnih rupa, a zatim su pokazali da sve tri moraju postojati da bi se podaci uklopili, o čemu u časopisu The Astrophysical Journal Letters, u studiji koja će uskoro izaći, izvješćuju.
Istraživači upozoravaju da su zaključci izvedeni iz samo 300 proučavanih spajanja još uvijek preliminarni.
„To područje trenutačno proživljava vrlo bučno razdoblje, i doslovno i figurativno”
– kaže Ray. Kako stiže sve više podataka – i kako se grade sve veći, osjetljiviji detektori gravitacijskih valova – vrste parova crnih rupa mogle bi se mijenjati i umnožavati. „Kladio bih se da priroda koristi neku kombinaciju ovoga, ali ne bih uložio veliku svotu da smo već pronašli točan odgovor”, kaže Thomas Callister, astronom gravitacijskih valova s koledža Williams.
Da bismo u to bili sigurniji, bit će potrebne i drugačije vrste podataka, kaže Maya Fishbach, astrofizičarka sa Sveučilišta u Torontu. „Moramo se okrenuti promatranjima masivnih zvijezda, dvojnih zvijezda, zvijezda u zvjezdanim skupinama te supernova koje stvaraju te crne rupe. Sve to mora činiti koherentnu sliku”, kaže.
Ako parovi crnih rupa doista nastaju na više načina i na više mjesta, njihova spajanja mogu poslužiti kao prozor u te kutke kozmosa, napominje Holz. Ta perspektiva mogla bi ublažiti razočaranje teoretičara što njihova izvorna slutnja o jednom dominantnom mehanizmu nije bila točna. „Čovjek uvijek želi da njegov model pobijedi i sve objasni, ali zapravo je za cijelu znanstvenu zajednicu puno bolje da postoji malo zbrke, jer tako učimo puno više”, kaže istraživač.
