A fekete lyukak fejlődéséről alkotott elméletek szerint a nagyobb tömegű fekete lyukak kisebbek összeolvadásával keletkeznek, ez a folyamat pedig egészen a legnagyobb tömegű fekete lyukak kialakulásáig ismétlődik. Egy új kutatás eredményei alapján a fekete lyukak őseiről számot adhatnak a két fekete lyuk egymásba olvadásakor keltett gravitációs hullámok, amelyeknek létezését már az einsteini relativitáselmélet is megjósolta. Sőt, a csillagászok szerint a gravitációs hullámok az adott fekete lyuk "felmenői" mellett magukban hordozzák a fekete lyuk kialakulásának pontos helyszínére vonatkozó információkat is.
A kifejezetten gravitációshullám-detektálásra szakosodott LIGO, illetve VIRGO nevű lézer-interferométerekkel a csillagászok már közel 10 éve képesek méréseket végezni a fekete lyukak összeolvadása által keltett gravitációs hullámokról, amely által tehát információkkal gazdagodhatunk a vizsgált fekete lyukak eredettörténetével kapcsolatban.
A fekete lyukak családfái
A fekete lyukak eredettörténetének kérdése akkor merült fel először a tudományos közegben, amikor felfedezték, hogy bizonyos fekete lyukak túl nagy tömegűek ahhoz, hogy az életútjuk végén járó csillagok magjának összeomlásával keletkezzenek. A kezdetben 30 naptömegnél nagyobb tömegű csillagokban ugyanis az életük vége felé közeledve megszűnik a fúziós energiatermelés, és miután a magjuk elért egy kritikus határtömeget, gravitációsan összeomlik. Az ilyen összeomlások során keletkeznek a 10-100 naptömegnyi, úgynevezett csillagtömegű fekete lyukak.
Ezzel ellentétben azonban ismerünk jóval nagyobb, szupernagy tömegű fekete lyukakat is, amelyek általában a galaxisok közepén foglalnak helyet a maguk több millió, vagy akár milliárd naptömegnyi monstrumával. Ennek ismeretében alkották meg a csillagászok a fekete lyukak összeolvadásának elméletét, amely szerint a nagyobb fekete lyukak a kisebbek egymásba olvadásával jönnek létre.
Bár a fekete lyukak összeolvadása által keltett gravitációs hullámok létezését Einstein általános relativitáselmélete már több mint 100 évvel ezelőtt megjósolta, a létezésüket 2015-ben sikerült mérésekkel is bizonyítani, az említett LIGO, illetve VIRGO interferométerekkel. Ennek során a gravitációs hullámok létezése mellett megerősítést nyert a fekete lyukak összeolvadásával, és tömegnövekedésével kapcsolatos elmélet is.
Az általános relativitáselmélet azt mondja ki, hogy a tömeggel rendelkező testek meghajlítják a téridő szövetét, a gravitációs erő pedig ebből a görbületből származik. Minél nagyobb tömegű tehát egy objektum, annál inkább elgörbíti a téridőt. Az elmélet azt is megjósolja, hogy a téridőben gyorsuló objektumok a fény sebességével terjedő gravitációs hullámokat bocsátanak ki. Ezeket azonban csak akkor tudjuk detektálni, ha valóban nagy tömegű testekről van szó. Éppen ezért az első detektált gravitációs hullám két fekete lyuk alkotta kettős rendszerből érkezett, amelynek tagjai egymás körül keringtek, majd egymáshoz fokozatosan egyre közelebb érve összeolvadtak. A közeledés során a fekete lyukak perdületet veszítettek, s az abból származó többletenergia gravitációs hullámok formájában szabadult fel.
Ebből következik tehát, hogy minél közelebb kering egymáshoz két fekete lyuk, rendszerük annál nagyobb frekvenciájú gravitációs hullámokat bocsát ki, ez pedig egészen az összeolvadás pillanatáig folytatódik. Az összeolvadás során létrejön egy fekete lyuk "gyermek", amelynek tömege nagyobb, mint a szüleié egyenként, de kisebb, mint a két szülőobjektum össztömege, éppen a gravitációs hullámok kibocsátása okozta energiaveszteség miatt.
Az új, fekete lyukakkal kapcsolatos kutatás vezetője, Fabio Antonini szerint a vizsgált fekete lyukak tömege, illetve forgása sokféle lehet, ami arra utal, hogy különbözőképpen jöttek létre. Igen bonyolult eldönteni azonban, hogy egy adott tömegű, illetve adott forgási tulajdonságokat mutató fekete lyuk pontosan milyen forgatókönyv szerint alakult ki. Ennek eldöntése végett a kutatócsoport 69 gravitációshullám-eseményt vizsgált, amelyekről a LIGO, illetve a VIRGO készített méréseket.
A vizsgálat során a csillagászok arra az eredményre jutottak, hogy a fekete lyukak forgása egy bizonyos határtömeg felett megváltozik. Ez a jelenség pedig összefügg azzal az elmélettel, amely szerint a fekete lyukak a sűrű csillaghalmazokban keletkeznek, és ütközések sorozatával növelik tömegüket.
A mérési adatok birtokában a kutatócsoport egy számítógépes szimulációt állított össze, amely a fekete lyukak keletkezését, és növekedését írja le. A szimuláció helyességét a későbbi mérések során tervezik majd tesztelni, amelyek a LIGO és a VIRGO mellett újabb műszerek, például az Einstein Távcső, illetve a LISA (Laser Interferometer Space Antenna) adatait is felhasználják majd.
Az itt bemutatott eredmények a Physical Review Letters című szaklapban jelentek meg.
A cikk forrása: https://www.space.com/black-hole-size-spin-ancestors
Szerző: Könyves-Tóth Réka, Tudományos munkatárs
CSFK Konkoly-Thege Miklós Csillagászati Intézet