Descoperirea undelor gravitaţionale a „umbrit” un alt aspect esenţial: Fuziunea dintre două găuri negre este posibilă

O lucrare științifică publicată în ultimul număr al revistei The Astrophysical Journal Letters, descrie noile date obținute de echipa LIGO (Large Interferometer Gravitational-Wave Observatory) din studierea perechii de găuri negre care a dus la formarea undelor gravitaționale detectate recent, precum și modul în care aceste informații se raportează la teoriile existente despre găurile negre, transmite space.com, potrivit Agerpres.

Vicky Kalogera, cercetătoare specializată în găuri negre de la Northwestern University din Illinois și membră a echipei LIGO, este de acord că descoperirea undelor gravitaționale trebuia să ocupe locul central, dar a dorit să explice și de ce observațiile privind perechea de găuri negre care au fuzionat sunt importante.

Oamenii de știință consideră că una dintre modalitățile de formare a unei găuri negre este moartea stelară. Conform acestei ipoteze, atunci când o stea foarte masivă își arde tot combustibilul intern, întreaga ei masă se prăbușește într-o regiune foarte mică din centrul stelar, rezultând un obiect capabil să exercite o gravitație atât de puternică încât nici măcar lumina nu-i poate scăpa. Această gravitație este atât de intensă încât legile fizicii, așa cum sunt ele formulate deocamdată, încetează să se mai aplice.

Au existat diferite modalități prin care au fost observate găuri negre individuale, dar până săptămâna trecută nu exista nicio dovadă concretă a existenței unor sisteme binare de găuri negre, obiecte care orbitează unul în jurul celuilalt și sfârșesc prin a intra în coliziune.

„Observăm foarte des sisteme stelare binare”, a susținut Kalogera pentru SPACE.com. Logic ar fi ca, la un moment dat, stelele din aceste sisteme binare să moară și să formeze cupluri de găuri negre. Și totuși, „până acum nu dispuneam de vreun fel de dovadă, chiar și indirectă, a existenței sistemelor de găuri negre binare (…) în consecință, importanța acestei descoperiri din punctul de vedere al astrofizicii este că oferă dovada clară care confirmă predicțiile teoretice cu privire la existența găurilor negre binare”.

Dacă nu ar fi existat un sistem de detecție al undelor gravitaționale de tipul LIGO, oamenii de știință nu ar fi putut studia sistemele binare de găuri negre. Găurile negre individuale pot fi depistate prin influența pe care o exercită asupra materiei din jur (care este accelerată și începe să emită radiații). Însă conform lui Kalogera, în cazul sistemelor binare de găuri negre, dinamica este atât de haotică încât oamenii de știință nu se așteaptă să observe emisii de radiații și astfel detectarea lor cu ajutorul unui telescop ar putea fi imposibilă.

Găurile negre al căror proces de fuziune a fost surprins în cadrul experimentului LIGO aveau 29 și respectiv 36 de mase solare. Astfel de găuri negre nu sunt nici pe departe cele mai masive întâlnite în Univers. Gaura neagră Sagittarius A, din centrul galaxiei noastre are mai mult de 4 milioane de mase solare, iar cele mai masive găuri negre din Univers au în jur de 12 miliarde de mase solare. Este încă un mister cum se pot forma astfel de găuri negre supermasive.

Folosind telescoape în spectrul razelor-X, oamenii de știință au identificat și găuri negre care par să se fi format din stele similare Soarelui, însă conform lui Vicky Kalogera, astfel de găuri negre nu depășesc o masă maximă echivalentă a 20 de mase solare. Din acest punct de vedere, existența unor găuri negre precum cele observate în cadrul experimentului LIGO, cu mase de 29 și respectiv de 36 de ori mai mari decât a Soarelui, este greu de explicat.

Găurile negre „de 29 și de peste 30 de mase solare sunt o surpriză pentru noi. Dacă ne uităm la majoritatea sistemelor binare de stele din Calea Lactee, ținând cont de compoziția acestor stele, nu ne așteptam ca ele să poată forma găuri negre (…) Faptul că au o masă mai mare ne spune că aceste găuri negre binare s-au format într-un mediu particular, cu o metalicitate care este diferită de metalicitatea Soarelui nostru”, a precizat Kalogera. „Metalicitatea” se referă la proporția din masa stelară care nu este formată din hidrogen sau heliu ci din elemente mai grele. Stelele cu o mai mare concentrație de hidrogen și heliu își conservă mai bine masa de-a lungul vieții stelare.

Vicky Kalogera a explicat că o stea își pierde constant din masă din cauza vântului stelar — un flux de particule care părăsește atmosfera stelară. În ultimii ani oameni de știință și-au revizuit o parte dintre teoriile cu privire la vântul stelar, ajungând la concluzia că acesta este mai slab decât se credea.

„Dacă acest vânt ar fi foarte puternic, am ajunge ca o stea muribundă să nu dispună de suficientă masă pentru a forma o gaură neagră. În urmă cu câțiva ani estimările cu privire la puterea vântului stelar au fost revizuite (…) Astrofizicienii au înțeles, din observații ale electromagnetismului că vântul stelar este mai slab decât se credea. Acum, dacă introducem un vânt stelar mai slab într-un model computerizat (cu privire la moartea stelară și nașterea unei găuri negre), masa finală va fi mai mare și obținem găuri negre (de tipul celor observate în cadrul experimentului LIGO). Aceste predicții au fost deja confirmate de mai multe grupuri de studiu„, conform lui Kalogera.

Descoperirea realizată în cadrul experimentului LIGO îi va ajuta pe astrofizicieni să-și rafineze și mai mult teoriile cu privire la formarea găurilor negre în sisteme binare. În prezent există două astfel de teorii principale, conform lui Vicky Kalogera. Foarte multe stele din Univers se află în sisteme binare — stelele se formează în nori masivi de gaze și praf cosmic iar astfel de maternități stelare dispun de obicei de suficientă materie pentru aprinderea mai multor stele.

Un prim model teoretic de formare a găurilor negre binare începe cu o pereche stabilă de stele normale. Aceste stele se nasc împreună, se dezvoltă împreună, îmbătrânesc și explodează amândouă în stadiul de supernovă, după care colapsează în găuri negre. După aceea, cele două găuri negre rezultate continuă să existe în cadrul unui sistem binar până când fuzionează.

Celălalt model teoretic este puțin mai haotic — găurile negre binare se formează din stele care nu au origini comune, în roiuri stelare. Dacă mai multe stele dintr-un astfel de roi stelar se transformă în găuri negre, ele înaintează spre centrul roiului. Odată ajunse acolo, unele rămân în roi, în timp ce altele sunt expulzate în urma interacțiunii gravitaționale cu obiectele masive din jur. Găurile negre care rămân în centrul roiului stelar își pot găsi perechi și se stabilizează pentru anumite perioade de timp sub forma sistemelor binare.

Cele două modele teoretice pot fi valabile în același timp, iar experimentul LIGO poate oferi informații cu privire la modelul dominant de formare al găurilor negre din Univers.

Citeşte şi Teoria undelor gravitaţionale, descoperită de Einstein, a fost confirmată