Biliárdgolyóként ütköző fekete lyukak bocsátanak ki gravitációs hullámokat

Művészi elképzelés egy szupermasszív fekete lyuk és a körülötte keringő Nap-méretű fekete lyukakról

Az ELTE egykori fizikusainak részvételével egy 9 tagú nemzetközi kutatócsoport magyarázatot talált az eddigi legfurcsább gravitációshullám-forrás eredetére, ami a fekete lyukak elliptikus ütközésére utal.

A Nature című folyóiratban megjelent kutatás szerint a galaxisok közepén található óriási fekete lyukak körül elliptikus pályán mozgó, lapos, korongszerű gázfelhőkben található kisebb fekete lyukak biliárdgolyókként ütköznek egymással - olvasható az ELTE MTI-hez eljuttatott közleményében.

Emlékeztetnek rá, hogy néhány évvel ezelőttig a fő informacióforrásunk az univerzumról a fény volt, amíg 2015-ben a LIGO először detektált gravitációshullámokat egy fekete lyuk ütközésből.

A kutatásban három magyar fizikus vett részt: Bartos Imre (Floridai Egyetem, az ELTE volt hallgatója), Haiman Zoltán (Columbia Egyetem, New York, korábban az ELTE Békésy György ösztöndíjasa) és Kocsis Bence (Oxford Egyetem, az ELTE korábbi hallgatója és adjunktusa, jelenleg is külsős témavezetője).

Művészi elképzelés egy szupermasszív fekete lyuk és a körülötte keringő Nap-méretű fekete lyukakról Forrás: J. Samsing / Niels Bohr Institute

De miért meglepő ha két fekete lyuk nem körpályán kering egymás körül? - teszik fel a kérdést. Haiman Zoltán szerint ez a gravitációshullámok alapvető természetéből fakad. A sugárzó fekete lyukak pályája viszonylag gyorsan köralakúvá válik a gravitációshullámok miatt, jóval az összeütközésük előtt. Korábbi kutatási eredmények azt mutatták, hogy a nem kör alakú pályák nagyon ritkák. Ez felveti a kérdést: egy amúgy is kivételes feketelyuk-ütközés miért történhetett pont egy ilyen ellipszis alakú pályán?

A lehetséges válasz olyan galaxisok központjában rejlik, aminek a közepén egy óriási, a napnál több milliószor nehezebb fekete lyuk található és ami körül örvénylik egy lapos korong alakú gázfelhő.

"Ebben a korongban nagyon sok kisebb fekete lyuk is található, és ezek olyan nagy sebességgel mozognak, hogy a gravitációs kölcsönhatásuk révén a fekete lyukak biliárdgolyókhoz hasonlóan pattognak egymás között. Ilyen körülmények között kör alakú kettősök nem létezhetnek" - mutatott rá Kocsis Bence.

Hozzátette: "Ilyen környezet kialakításához az óriás központi fekete lyuk jelenléte önmagában nem elegendő. ELTE-s doktoranduszokkal Szölgyén Ákossal és Máthé Gergővel korábban 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 szükséges feltételek, ahol található egy gázfelhő is. A gáz hatására ugyanis a fekete lyukak eloszlása szinte kétdimenzióssá válik és befelé vándorolnak, majd a véletlen közeli elhaladások során, gáz disszipáció révén, a fekete lyukak szoros kettősöket formálhatnak. Ezen objektumok gyakran összetalálkoznak egy harmadik fekete lyukkal kaotikus táncot járva".

Az eddigi számítások azt feltételezték, hogy a fekete lyukak kölcsönhatása három dimenzióban történik, ami a legtöbb esetben igaz is, de ilyenkor többnyire körkörös kettősök keletkeznek.

Művészi elképzelés egy szupermasszív fekete lyuk körüli gázfelhőről, amelyben két kisebb fekete lyuk ütközik egymásnak Forrás: Caltech / R. Hurt (IPAC)

"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 ebben az esetben a nem kör alakú pályák kialakulása drámaian megnő, akár 100-szorosára a háromdimenziós esethez képest. Ez az elmélet remekül illeszkedik a 2019-es megfigyeléshez, miszerint a GW190521 ütközés minden különleges tulajdonsága egyszerre magyarázható azzal hogy egy lapos gázfelhőben történt a folyamat egy távoli galaxis magjában egy óriási 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 automatikusan 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 kutatók szerint mindez csak a kezdet. "A kutatók régóta próbálják megérteni a sűrű, lapos gázfelhők tulajdonságait, de ez egy bonyolult probléma. Az eredmény nagyon függ a gázfelhők tulajdonságaitól illetve attól is, hogy a fekete lyukak pontosan hogyan mozognak bennük. A GW190521 forráshoz hasonló fekete lyuk ütközések új módszert nyitnak a gázfelhők vizsgálatára. A kutatást tovább kell folytatni, ami további váratlan felfedezésekhez vezethet" - összegzi a közleményben Haiman Zoltán.