Astronomové byli svědky zrození černé díry střední velikosti

Astronomové využívající dvojici amerických detektorů gravitačních vln LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) umístěných v Livingstonu (stát Luisiana) a v Hanfordu (stát Washington), a také italský detektor Virgo poblíž města Pisa, detekovali gravitační vlny generované při splynutí nejhmotnější doposud pozorované dvojice černých děr. Dvě rotující černé díry splynuly, když vesmír byl starý pouhých 7 miliard roků, což je zhruba polovina jeho současného věku. Při srážce vytvořily černou díru o hmotnosti 142× větší, než je hmotnost Slunce – tzv. černou díru střední velikosti.

Astronomové vědí, že černé díry hvězdné velikosti – tj. černé díry o hmotnosti v rozmezí 10 až 100 hmotností Slunce – jsou pozůstatky umírajících hvězd a že supermasivní černé díry, jejichž hmotnosti dosahují až několika miliard hmotností Slunce se nacházejí v centrech většiny velkých galaxií.

Avšak několik domnělých černých děr mnohem záhadnějšího typu je rozptýleno napříč celým vesmírem. S hmotnostmi v rozmezí 100 až 10 000 slunečních hmotností se jedná o černé díry střední velikosti. To je ale velmi obtížné změřit, takže jejich existence byla občas zpochybňována.

Konečná hmotnost nově vytvořené černé díry byla 142 hmotností Slunce. Vznikla při nově objeveném splynutí dvojice černých děr a svou hmotností leží uvnitř rozmezí hmotností pro černé díry střední velikosti. Nachází se tedy mezi hvězdnými a supermasivními černými dírami.

„Od samého začátku tento signál, který je pouze desetinu sekundy dlouhý, nás vyzýval k identifikaci jeho původu,“ říká profesorka Alessandra Buonanno, vědecká pracovnice University of Maryland a Max Planck Institute for Gravitational Physics. „Avšak navzdory jeho krátkému trvání jsme byli schopni dát dohromady signál k předpokládanému splynutí černých děr, jak předpovídá Einsteinova obecná teorie relativity a uvědomili jsme si, že jsme byli vůbec poprvé svědky zrození černé díry střední velikosti ze dvou původních černých děr, které se s největší pravděpodobností zrodily z dřívějšího splynutí binární černé díry.“

Signál gravitačních vln, který obdržel pojmenování GW190521, byl detekován 21. května 2019 v 03:02:29 UTC. Při úkazu došlo ke splynutí dvou černých děr, jejichž hmotnosti 85× a 66× převyšovaly hmotnost Slunce. Zhruba 9 hmotností Slunce původní dvojice se vyzářilo právě v podobě gravitačních vln.

„Hmotnost větší černé díry ve dvojici ji řadí do oblasti, kde je její vznik ´nemožný´ vzhledem k obvyklým astrofyzikálním procesům,“ říká profesor Peter Shawhan, vědecký pracovník na University of Maryland. „Zdá se příliš hmotná na to, aby vznikla na základě kolapsu hvězdy, což je situace, jak hvězdné černé díry všeobecně vznikají.“

„Tato ´nemožná´ černá díra vznikla v důsledku kolize černých děr, jejichž důsledkem jsou objekty o hmotnostech 100× až 1 000× větších, než je hmotnost Slunce, které jsou velmi zřídkavé,“ dodává profesorka Susan Scott, výzkumná pracovnice na ARC Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav) at the Australian National University.

„Jsme velice vzrušeni, že jsme dokázali vůbec poprvé přímo pozorovat černou díru střední velikosti v uvedeném rozsahu hmotností. Viděli jsme také, jak se zformovala, což potvrzuje, že černé díry střední velikosti mohou vzniknout splynutím dvou menších černých děr.“

Signál GW190521 podobající se nejspíše čtyřem krátkým záchvěvům, byl extrémně krátký v době trvání – trval méně než jednu desetinu sekundy.

Zdroj signálu GW190521 je nejvzdálenějším zdrojem gravitačních vln, který byl doposud detekován.

„To nevypadá stejně jako cvrlikání, které jsme typicky detekovali,“ říká Nelson Christensen, vědecký pracovník na French National Centre for Scientific Research. „To je spíše jako něco, co udělá ´bang´, a to je nejmasivnější signál z aparatury LIGO a Virgo, jaký jsme viděli.“

S použitím Zwicky Transient Facility astronomové možná vypátrali světelné vzplanutí z kolize GW190521. To je překvapující, protože černé díry a jejich splynutí jsou obvykle neviditelné pro dalekohledy. Jedna z teorií je, že systém možná obíhal kolem supermasivní černé díry.

Nově vytvořená černá díra možná obdržela „nakopnutí“ v důsledku kolize a doslova vystřelila v novém směru skrz plynný disk obklopující supermasivní černou díru, což mělo za následek vznik intenzivního záření.

„Je zde množství rozmanitého prostředí, ve kterém se tento systém dvou černých děr mohl vytvořit a plynný disk obklopující supermasivní černou díru je jedním z nich,“ říká Vaishali Adya, postgraduální vědecký pracovník v ARC Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav) at the Australian National University. „Avšak je rovněž možné, že tento systém se skládal ze dvou primordiálních černých děr, které se zformovaly v mladém vesmíru.“

„Všechna pozorování kolidujících dvou černých děr, která jsme provedli, nám dávají nové a překvapivé informace o životě černých děr v celém vesmíru. Začínáme objevovat hmotnostní mezery černých děr dříve zvažované, včetně ´nemožných´ černých děr, které byly odhaleny prostřednictvím naší detekce.“

Objevy byly publikovány ve dvou článcích v časopisech Physical Review Letters a Astrophysical Journal Letters.

Zdroj: http://www.sci-news.com/astronomy/gw190521-intermediate-mass-black-hole-08808.html a https://scitechdaily.com/massive-bang-in-ligo-and-virgo-gravitational-wave-detectors-fabric-of-space-time-shaken-by-binary-black-hole-merger/

autor: František Martinek