Két fekete lyuk egy összeroskadó csillagból?

766

Egy új számítógépes modell szerint a korai Univerzum szupernagy tömegű fekete lyukai első generációs szupernagy tömegű csillagok összeroskadása során létrejött kisebb fekete lyukak összeolvadásával kezdhettek el növekedni.

Az elméletek szerint a fekete lyukak széles tömegskálán léteznek: ennek egyik végén azok állnak, melyek nagytömegű csillagok magjának összeroskadása során jönnek létre, míg a másik oldalt azok az ún. szupernagy tömegű fekete lyukak reprezentálják, melyek a galaxisok centrumában helyezkednek el, és tömegük akár a Napénak milliárdszorosát is meghaladhatja. Nagyon hosszú idő alatt a kisebb fekete lyukak a környező anyag beszippantásával vagy összeolvadással akár nagyon nagy tömegűvé is növekedhetnek, de ez a lassú folyamat nem magyarázhatja azt, hogy ezek a szörnyek már a korai Univerzumban, az Ősrobbanás után kevesebb mint 1 milliárd évvel is léteztek. A California Institute of Technology (Caltech) kutatóinak modellje azonban új megvilágításba helyezheti a problémát.

A szupernagy tömegű fekete lyukak növekedésének egyes modelljeiben fontos szerep jut a kisebb tömegű, ún. “csíra” fekete lyukaknak, melyek az Univerzum legelső csillagainak pusztulása során jöttek létre. Ezek az objektumok a környezetükben található anyag elnyelésével vagy a hozzájuk hasonló fekete lyukakkal történő összeolvadás következtében növelhetik a tömegüket. Jelen kutatás vezetője, Christian Reisswig (NASA Einstein Postdoctoral Fellow in Astrophysics, Caltech) szerint azonban ezen a módon egyszerűen nem állt rendelkezésre elegendő idő a már a korai Univerzumban is jelen lévő monstrumok kialakulására. Ez csak akkor tűnik lehetségesnek, ha már a szóban forgó fekete lyukak csíráit létrehozó ősi csillagok is kellően nagy tömeggel bírtak.

A korai nagy tömegű fekete lyukak kialakulását Reisswig és munkatársai szuperszámítógépen futtatott modelljükben olyan szupernagy tömegű csillagok pusztulásához kötik, melyek az Ősrobbanás után csak nagyon rövid ideig léteztek. Ezen objektumokat – rövid életük során – a gravitáció és a belsejükben uralkodó óriási hőmérséklet által szabályozott sugárnyomás egyensúlya stabilizálta. A fotonok formájában kisugárzott rengeteg energia miatt azonban a csillagok lassan lehűltek, így a gravitáció növekvő túlsúlya miatt centrális sűrűségük egyre nőtt, ami néhány millió év alatt instabilitáshoz és gravitációs kollapszushoz vezetett.

A korábbi vizsgálatok szerint a szupernagy tömegű csillagok kollapszusa gömbszimmetrikusan zajlik – ezt esetleg csak a csillag gyors forgása által okozott lapultság befolyásolhatja -, de a folyamat így is tengelyszimmetrikus marad. A nagyon gyorsan rotáló csillagoknál azonban éppen a forgás miatt felléphetnek olyan kicsiny perturbációk, melyek következtében a tengelyszimmetrikustól eltérő kollapszus léphet fel. Reisswig és munkatársai pedig pont ezeket, az idővel gyorsan növekedő zavarokat vizsgálták, melyek eredményeként az összeomló csillagban nagy sűrűségű csomósodások alakulhatnak ki.

20131108_ket_fekete_lyuk_egy_osszeroskado_csillagbol_1

Egy szupernagy tömegű csillag kollapszusának és fragmentációjának különböző fázisai Reisswig és munkatársai szuperszámítógépes szimulációinak alapján. Mindegyik panel a csillag egyenlítői síkjában mutatja a sűrűségeloszlást. A gyorsan forgó objektum végzete két, végül összeolvadó fekete lyuk kialakulása.
[Christian Reisswig/Caltech]

A modell szerint ezek a fragmentumok a csillag magja körül keringenek, és idővel a környező anyag összegyűjtésével elegendően nagy sűrűségűvé és hőmérsékletűvé válnak ahhoz, hogy bennük elektron-pozitron párok jöjjenek létre. Ez azonban a nyomás csökkenésével, így a kollapszus folyamatának gyorsulásával jár. Végeredményben két fragmentum alakul ki, melyek végül olyan sűrűvé válnak, hogy mindkettőből egy-egy fekete lyuk jön létre. Ezek pedig a tömegközéppont körül spirálozó mozgást végezve a folyamat végén egyetlen nagy tömegű fekete lyukká olvadnak össze. Reisswig szerint eddig még senki sem állt elő olyan modellel, amely szerint egyetlen csillag kollapszusa során kettő, a későbbiek során összeolvadó fekete lyuk jönne létre.

Bár Reisswig és kollégáinak vizsgálata numerikus számítógépes modelleken alapul – így tisztán elméleti megközelítésnek tekinthető -, egészen konkrét gyakorlati következményei is lehetnek. A két fekete lyuk kialakulása és összeolvadása által okozott, az Einstein-féle általános relativitás-elmélet által megjósolt gravitációs hullámokat ugyanis előbb-utóbb detektálni is tudjuk majd. Többek között a Caltech részvételével ilyen vizsgálatokra épült a LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) is, de Reisswig szerint valószínűleg csak a jövőbeni űrbeli megfelelői lesznek alkalmasak majd a jelen jóslatot is igazoló mérések elvégzésére.

Az eredményeket részletező szakcikk a Physical Review Letters c. folyóiratban jelent meg.

Forrás: ScienceDaily 2013.11.06.

Hozzászólás

hozzászólás