Az elmúlt hat év során több fekete lyuk összeolvadását is sikerült detektálni gravitációs hullámok megfigyelésével, ezzel megerősítve Albert Einstein általános relativitáselméletének az egyik jóslatát. Van azonban egy probléma – közülük sok fekete lyuk váratlanul nagy méretű. Kutatók egy csoportja új megoldást javasolt a problémára, miszerint a fekete lyukak együtt nőhetnek az univerzum tágulásával.
A LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) 2015-ös első kettős fekete lyukas összeolvadás-detektálása óta újra és újra meglepetést okoznak a hatalmas tömegű kompakt objektumok. Bár nem bocsátanak ki fényt, a fekete lyukak összeolvadását a keletkező gravitációs hullámok alapján lehet detektálni; ezek a téridőnek olyan fodrozódásai, melyeket Einstein általános relativitáselmélete is előrejelzett. Eredetileg arra számítottak, hogy a fekete lyukak tömege a Nap tömegénél kb. 40-szer lesz nagyobb, ugyanis az összeolvadó fekete lyukak nagy tömegű csillagokból keletkeznek – ezek pedig nem tudják egyben tartani magukat, ha túl nagyra nőnek.
A LIGO és Virgo obszervatóriumok viszont számos olyan fekete lyukat találtak, melyeknek az 50, sőt akár 100 naptömeget is meghaladta a méretük. Többféle kialakulási elméletet is kidolgoztak arra, hogyan jöhetnek létre ilyen nagy tömegű fekete lyukak, de egyetlen leírás sem tudta önmagában megmagyarázni az eddig megfigyelt összeolvadások sokféleségét; arra vonatkozólag sincs egyetértés, hogy a felvetett kialakulási modellek milyen kombinációja működhet fizikailag. Az új eredményeket a Astrophysical Journal Letters tudományos folyóiratban publikálták, benne az első olyan elmélettel, mely ugyanazon folyamat mentén magyarázza a kisebb és nagyobb méretű fekete lyukak kialakulását is: a fekete lyukak az univerzum tágulása során növelik a tömegüket.
Tipikusan olyan csillagászati modellekkel szokás dolgozni, melyekben az univerzum nem tágul. Ez egy olyan kikötés, ami egyszerűsíti Einstein egyenleteit, hiszen egy statikus méretű univerzumban kevesebb paraméter változását kell számontartani. Ennek az egyszerűsítésnek persze ára van, a modellek által előrejelzett eredmények ugyanis csak adott ideig értelmezhetők (hiszen az univerzum tágul, így csak adott időtartamra feltételezhetjük, hogy nem növekszik a mérete).
Mivel az egyes események, amiket a LIGO-Virgo észlel csak pár másodpercig tartanak, esetükben teljesen értelmezhető ez az egyszerűsítés. De ezekhez az összeolvadásokhoz potenciálisan évmilliókig tartott a fekete lyukaknak eljutni. A fekete lyuk páros kialakulása és az egyesülésük között az univerzum mérete jelentősen megnövekszik. Ha Einstein elméletének finomabb aspektusait is figyelembe vesszük, akkor egy nyugtalanító lehetőség merül fel: a fekete lyukak tömege együtt növekedhet az univerzummal, mely jelenséget Kevin Croker és kutatócsoportja (a tanulmány szerzői) kozmológiai csatolásnak neveznek.
A legjobban ismert kozmológiailag csatolt anyag maga fény, amely az univerzum tágulásával energiát veszít. Duncan Farrah, a tanulmány társszerzőjének elmondása szerint ennek az effektusnak a fordítottját vették figyelembe. Mit figyelne meg a LIGO-Virgo, ha a fekete lyukak kozmológiai csatolás miatt úgy nyerhetnének energiát, hogy ehhez nem kell csillagokat vagy gázt bekebelezniük?
A feltevés megvizsgálásához több millió csillagpár születését, fejlődését és halálát modellezték. Minden olyan párt, ahol mindkét csillag fekete lyukká alakult az élete végén, az univerzum méretéhez csatoltak a haláluk időpontjában. Ahogyan a szimulációban tovább nőtt az univerzum, ezeknek a fekete lyukaknak is nőtt a tömege, ahogy egymás felé spiráloztak. Az eredmény nem csak az volt, hogy összeolvadáskor jóval nagyobb tömegűek voltak, de általában véve is több fekete lyuk összeolvadás történt. Mikor összevetették a modell előrejelzéseivel a LIGO-Virgo adatokat, akkor azok elég jól egyeztek.
A kutatócsoport tagjai szerint azért is fontos ez az új modell, mert nincsen szükség a csillagkeletkezésről, fejlődésről és a csillagok életének végéről alkotott elképzeléseink megváltoztatására. Az új modell és a rendelkezésre álló mérései adatok egyezése egyszerűen abból következik, hogy a valódi fekete lyukak nem egy statikus univerzumban léteznek. Azt azonban kiemelik, hogy ettől még a LIGO-Virgo nagy tömegű fekete lyuk megfigyeléseinek rejtélye nem oldódott meg azonnal.
Az összeolvadó fekete lyukak sok tulajdonságát még nem ismerjük elég részletesen, mint például a domináns keletkezési környezetüket, illetve a bonyolult fizikai folyamatokat, melyek a teljes fejlődésüket végigkísérik. Olyan csillagpopulációt modelleztek az új kutatásban, mely a jelenleg rendelkezésre álló mérési adatainkat tükrözi, de még így is elég nagy a mozgástér. Azt lehet látni, hogy a kozmológiai csatoltság önmagában egy hasznos gondolat, de azt még nem lehet megmérni, hogy ez a hatás mennyire erős.
A gravitációs hullámokat detektáló obszervatóriumok érzékenysége várhatóan folyamatosan javulni fog a következő évtizedekben, vele pedig egyre több és egyre jobb minőségű mérési adatunk lesz. A kozmológiai csatoltság relevanciáját így várhatóan lesz lehetőség megvizsgálni.
Forrás: University of Hawaii
