Miről árulkodhatnak a kettős fekete lyukak tömegei?

8213
Művészi illusztráció két fekete lyuk ütközéséről. (Forrás: Aurore Simonnet/Sonoma State/Caltech/MIT/LIGO)

Vajon van tipikus feketelyuk-méret? Egy új kutatás, amely a fekete lyukak katasztrofális, gravitációs hullámokat indító ütközéseit vizsgálta, érdekes eredményre jutott.

A kérdés a tömeg

Az úgynevezett csillagtömegű fekete lyukak csoportja egy érdekes kérdést vet fel: mi a tipikus méretük, és vajon miért?

2015 előtt elektromágneses megfigyelésekkel sikerült néhány csillagtömegű fekete lyuk tömegét megmérnünk. Ezeknek a fekete lyukaknak a tömege 5 és 20 naptömeg közé esett, és akkor úgy gondolhattuk, hogy elég jól ismerjük őket.

A képet a LIGO és a Virgo obszervatóriumok első gravitációshullám-adatai kuszálták össze, amelyeket egy összeolvadó feketelyuk-párról rögzítettek. Az adatok alapján a két fekete lyuk nagyjából 30–35 naptömegű lehetett: tehát mindkettő lényegesen nagyobb, mint a korábban megfigyelt csillagtömegű fekete lyukak. Azóta több összeolvadó fekete lyukat is megfigyeltek, amelyek mind 20 naptömegnél nagyobb tömeggel bírtak. Volt köztük olyan, ami 80–90-szer nagyobb tömegű volt, mint a Nap.

A „csillagtemető”: az ábra a LIGO/Virgo második gravitációshullám-katalógusában szereplő összeolvadt feketelyuk-kettősök tömegeit mutatja (kék). A grafikán lila színnel jelölték azokat a fekete lyukakat, amelyek tömegét korábban elektromágneses megfigyelésekkel állapították meg. (Forrás: LIGO-Virgo/Northwestern U./Frank Elavsky & Aaron Geller)

Miután elég sok adat áll rendelkezésünkre, elkezdhetjük vizsgálni az összeolvadó csillagtömegű feketelyuk-kettősök tömegeloszlását. Ezzel foglalkozik egy új tanulmány, amelyet Vaibhav Tiwari és Stephen Fairhurst (Cardiff University, UK) tett közzé a The Astrophysical Journal Letters folyóiratban.

Az eloszlás vizsgálata

A kutatók a LIGO és a Virgo gravitációshullám-obszervatóriumok második katalógusában (GWTC-2) elemezték 39 összeolvadó feketelyuk-kettős adatait egy statisztikai modellel. Vizsgálták az egyesülő fekete lyukak tulajdonságait, feltárva tömegük és forgási jellemzőik eloszlását.

A legegyszerűbb eredmény az lenne, ha a fekete lyukak tömege tört hatványfüggvény-eloszlást követne: mivel a fekete lyukak nagy tömegű csillagokból jönnek létre, és sokkal több kis tömegű csillag van, mint nagy, azt várhatnánk, hogy a fekete lyukak tömegeloszlása egyenletesen csökken.

A kutatók ehelyett egy érdekes struktúrát fedeztek fel a csökkenő eloszlás tetőpontján: egy négy csúcsból álló sorozatot, amelyek 9, 16, 30 és 57 naptömegnél vannak.

A vizsgált összeolvadó fekete lyukak tömegeloszlása négy csúcsot mutat, melyek mindegyike nagyjából kétszeres távolságra van az előzőtől, így nem egy egyszerű tört hatványfüggvényt látunk. (Forrás: Tiwari & Fairhurst 2021)

A nyomok további ütközésekre utalnak

A kutatók szerint az eredmények a fekete lyukak kialakulásáról mondhatnak el valamit.

Egy hierarchikus összeolvadási forgatókönyv szerint, ahol a fekete lyukak kisebb fekete lyukak összeolvadásából jönnek létre, azt várnánk, hogy tömeges halmozódást láthatunk a tömegeloszlás első csúcsánál, majd az ezt követő csúcsok nagyjából kétszeres távolságban lesznek az előzőekhez képest.

Talán az új eredmények arra utalhatnak, hogy az egyesülő csillagtömegű fekete lyukak többsége nem elszigetelten, hanem sűrű csillagkörnyezetben, egymást követő ütközések révén fejlődött ki.

Művészi illusztráció ütköző fekete lyukakról egy sűrű csillaghalmaz közepén. (Forrás: Carl Rodriguez/Northwestern Visualization (Justin Muir, Matt McCrory, Michael Lannum))
 

A kutatók figyelmeztetnek, hogy az eredmények nagyon kevés adaton alapulnak, és várnunk kell a további észlelésekre, hogy pontosabb kijelentéseket tehessünk. Ha a jövőbeni megfigyelések megerősítik a mostani eredményeket, akkor érdekes betekintést nyerhetünk a csillagtömegű fekete lyukak kialakulásáért és összeolvadásáért felelős folyamatokba.

Forrás: AAS Nova

Hozzászólás

hozzászólás