Az ELTE egykori fizikusainak részvételével egy 9 tagú internacionális kutatócsoport magyarázatot talált a korábbi legfurcsább gravitációshullám-forrás eredetére, ami a fekete lyukak elliptikus ütközésére utal.
A Nature című folyóiratban megjelent tudományos felmérés alapján a galaxisok centrumában felfedezhető hatalmas fekete lyukak körül elliptikus pályán mozgó, lapos, korongszerű gázfelhőkben felfedezhető kisebb fekete lyukak biliárdgolyókként ütköznek egymással – olvasható az ELTE Közleményében.
Emlékeztetnek rá, hogy pár évvel ezelőttig a fő informacióforrásunk az univerzumról a fény volt, amíg 2015-ben a LIGO első alkalommal detektált gravitációshullámokat egy fekete lyuk ütközésből.
A kutatásban három magyar fizikus volt ott: Bartos Imre (Floridai Egyetem, az ELTE volt hallgatója), Haiman Zoltán (Columbia Egyetem, New York, ezelőtt az ELTE Békésy György ösztöndíjasa) és Kocsis Bence (Oxford Egyetem, az ELTE korábbi hallgatója és adjunktusa, ebben a pillanatban is külsős témavezetője).
De miért meglepő ha két fekete lyuk nem körpályán kering egymás körül? – teszik fel a kérdést. Haiman Zoltán alapján ez a gravitációshullámok alapvető természetéből fakad. A sugárzó fekete lyukak pályája relatíve villámgyorsan köralakúvá válik a gravitációshullámok folytán, jóval az összeütközésük előtt. Korábbi kutatási eredmények azt mutatták, hogy a nem kör alakú pályák meglehetősen ritkák. Ez felveti a kérdést: egy amúgy is egyedülálló feketelyuk-ütközés miért történhetett pont egy ilyen ellipszis alakú pályán?
A lehetséges válasz olyan galaxisok centrumában rejlik, aminek a centrumában egy hatalmas, a napnál több milliószor nehezebb fekete lyuk látható és ami körül örvénylik egy lapos korong alakú gázfelhő.
„Ebben a korongban szerfelett sok kisebb fekete lyuk szintén felfedezhető, és ezek olyan nagy sebességgel mozognak, hogy a gravitációs kölcsönhatásuk révén a fekete lyukak biliárdgolyókhoz hasonlóan pattognak egymás közt. Ilyen státuszok közt kör alakú kettősök nem létezhetnek” – mutatott rá Kocsis Bence.
Hangoztatta még: „Ilyen környezet kialakításához az óriás központi fekete lyuk jelenléte önmagában nem elegendő. ELTE-s doktoranduszokkal Szölgyén Ákossal és Máthé Gergővel ezelőtt azt találtuk, hogy a fekete lyukak súlyuknál fogva vastag korongba rendeződnek. De a gyakori ütközésekhez még vékonyabb struktúrára van szükség. Hiromichi Tagawával, az ELTE korábbi posztdoktori kutatójával megmutattuk, hogy azon galaxismagokban jöhetnek létre a létfontosságú feltételek, ahol felfedezhető egy gázfelhő is. A gáz hatására tudniillik a fekete lyukak eloszlása hozzávetőlegesen kétdimenzióssá válik és befelé vándorolnak, ezt követően a véletlen közeli elhaladások alatt, gáz disszipáció révén, a fekete lyukak szoros kettősöket formálhatnak. Ezen objektumok gyakran összetalálkoznak egy harmadik fekete lyukkal kaotikus táncot járva”.
A korábbi számítások azt feltételezték, hogy a fekete lyukak kölcsönhatása három dimenzióban történik, ami a legtöbb esetben igaz is, de ilyenkor többnyire körkörös kettősök keletkeznek.
„Elkezdtünk azon gondolkodni, mi történne ha a fekete lyukak egy lapos gázfelhőn belül tudnának csak mozogni, ami egy kétdimenziós környezetnek felel meg. Meglepetésünkre azt találtuk, hogy ilyenkor a nem kör alakú pályák kialakulása drámaian megnő, akár 100-szorosára a háromdimenziós esethez képest. Ez az elmélet pompásan illeszkedik a 2019-es megfigyeléshez, miszerint a GW190521 ütközés minden rendkívüli tulajdonsága egyidejűleg magyarázható azzal hogy egy lapos gázfelhőben történt a folyamat egy távoli galaxis magjában egy hatalmas fekete lyuk közelében” – részletezi Johan Samsing. Ez a felfedezés hozzátesz a sokszáz éves mechanika problémához is, a háromtestproblémához. Ez a folyamat is kritikus szerepet játszik abban, hogy a fekete lyukak hogyan ütköznek össze a világegyetem rejtett zugaiban.
A lapos gázfelhők elmélete az excentricitáson túl automatán megmagyarázza a GW190521 ütközés két másik meglepő tulajdonságát is. A nagy fekete lyuk tömeg annak az eredménye, hogy a sok kisebb fekete lyuk a gázfelhőbe zsúfolva többszörös ütközést szenved, minden ütközéssel tovább növelve a létrejövő fekete lyuk tömegét. Ezek az egymást követő ütközések a fekete lyukak forgását is felgyorsítják – írják.
A szakemberek alapján mindez csak a kiindulás. „A szakemberek régóta próbálják megérteni a sűrű, lapos gázfelhők tulajdonságait, de ez egy bonyolult probléma. Az eredmény roppant módon függ a gázfelhők tulajdonságaitól amellett attól is, hogy a fekete lyukak precízen hogyan mozognak bennük. A GW190521 forráshoz hasonló fekete lyuk ütközések új módszert nyitnak a gázfelhők vizsgálatára. A kutatást tovább kell folytatni, ami újabb váratlan felfedezésekhez vezethet” – összegzi a közleményben Haiman Zoltán.
mti