Залог между астрофизици за черни дупки

Представяме ви статия на Иля Мандел, почетен професор по теоретична астрофизика, Университет в Бирмингам

Едно от най-великите неща в това да бъдеш астрофизик е, че продължаваш да откриваш неща, които не си мислил, че са възможни. Сега Обсерваторията за гравитационни вълни на лазерния интерферометър (LIGO) и Обсерваторията „Дева“ откриха най-голямата черна дупка досега. Важно е, защото учените всъщност се съмняваха дали черни дупки с подобна маса могат изобщо да съществуват.

След месеци търпелив анализ, екипът току-що съобщи за откритието си в статии в изданията Physical Review Letters и Astrophysical Journal Letters.

Черната дупка е открита, защото сливането й с малко по-малко масивен спътник излъчва гравитационни вълни. Това са вълни в космическото време, които могат да бъдат засечени на Земята – ехото на силни космически сблъсъци, които в случая са се случили преди милиарди години.

Констатацията е изключително важна от гледна точка на изследванията. Тя също така дава отговор на облог сред астрофизиците.

През февруари 2017 г. редица от нас се срещнаха в Центъра за физика в Аспен, в Колорадо, САЩ. Бяхме развълнувани да обсъждаме резултатите, които вече имахме от LIGO. Но ние също очаквахме с нетърпение бъдещите открития и спорихме как всъщност се сливат двойки черни дупки.

Обсъждаха се множество идеи. Едната беше, че двойки масивни звезди постепенно се развиват една до друга, докато и двете се срутят в черни дупки и в крайна сметка се сливат. Друга беше, че непознатите преди това черни дупки могат да бъдат обединени след блъскането с други звезди в гъсти звездни региони. Но кой е основният процес? Събрах няколко участници, за да направим облог, както е показано на снимката.

В края на живота си – когато звездите останат без ядрено гориво и вече нямат поддържащия натиск, за да се противопоставят на собствената си гравитация – те се срутват. Звездите с ниска маса, включително нашето Слънце, в крайна сметка се превръщат в слаби звездни призраци, известни като „бели джуджета“. Звездите, които са започнали по-тежки – около осем пъти масата на Слънцето, стават невероятно плътни и малки обекти, наречени неутронни звезди. И наистина масивните звезди с повече от 20 слънчеви маси при раждането се превръщат в черни дупки, с крайни маси около 40 слънчеви маси.

Но нещо странно отдавна се предполага, че се случва на много, много масивни звезди, може би на тези с първоначални маси между около 130 и 250 слънчеви маси, чиито центрове наистина се нагорещяват (около милиард градуса по Келвин) в края на своята еволюция. Светлината, подскачаща около тези звезди и осигуряваща голяма част от поддържащото налягане, е толкова енергична, че може да се трансформира в двойки електрони и позитрони (позитроните са антиматериални аналози на електрона – те са почти идентични, но имат противоположен заряд).

Това от своя страна прави звездата нестабилна: налягането внезапно спада, центърът на звездата се свива и загрява, а избягалият ядрен синтез кара цялата звезда да експлодира в ярка свръхнова „двойка-нестабилност“, без да остане какъвто и да бил остатък.

Това означава, че ако всички черни дупки в сливащите се двойки са създадени от колабиращи звезди, не би трябвало да има черни дупки с маси между 55 и 130 слънчеви маси – звездите, които биха могли да създадат такива остатъци, биха приключили живота си при експлозии, които не оставят нищо след себе си. По-масивни черни дупки обаче могат да се образуват от още по-тежки звезди (с повече от 250 слънчеви маси), които не се подлагат на същия ядрен синтез и се срутват напълно в черни дупки.

Но това не би било така, когато черни дупки се сливат в клъстер. Когато две черни дупки се сливат, те създават друга черна дупка, почти толкова тежка, колкото сумата от техните маси. Ако тази черна дупка остане в гъстата среда, тя може да се слее отново, пораждайки още по-масивни черни дупки с различни размери, запълвайки разликата в масата. Именно това ни накара да подпишем този залог в Аспен: ще открием ли сливаща се черна дупка с маса между 55 и 130 слънчеви маси или не?

GW190521 е сливане на две много масивни черни дупки наистина, най-тежката от всички наблюдавани досега чрез гравитационни вълни. По-тежката, измерена между 71 и 106 слънчеви маси (при 90% достоверност), попада точно в разликата в масата. Това изглежда предполага, че черните дупки наистина се сливат многократно.

Не участвах в това прекрасно измерване. Но по случайно стечение на обстоятелствата имах възможността да реферирам един от документите за откриване, което означава, че сега съм добре подготвен да изпълнявам задълженията си на арбитър на залога.

Първият ми бизнес ред е да преценя залога в полза на Чатърджи и Родригес, както и на Фред Расио от Северозападния университет, САЩ, който се присъедини към крайните победители в допълнение след подписването на първоначалния залог.

Поздравления за заслужените победители – и нека се насладят на виното, което им се дължи, и удоволствието да се окажеш прав. Залогът е разрешен. Следващата ми задача, заедно с много други астрофизици по света, е да започна да мисля за последиците от това революционно наблюдение.

Това ли е окончателната демонстрация на черни дупки, които се сливат многократно в плътен куп звезди? Можехме ли да изчислим неправилно границите на разликите в масата поради несигурност в ключови ядрени реакции? Възможно ли е сливането да се е случило по напълно различни начини, за които дори не сме мислили?

Екипите на LIGO-Virgo отново са свършили невероятна работа със своите инструменти и анализ на данни, като са получили удивително неочакван резултат. За останалата част от астрофизичната общност удоволствието от осмислянето му едва започва. Ето защо при такива научни залози всеки наистина е победител.

Тази статия е публикувана в The Conversation.