Fizycy mają z czarnymi dziurami same problemy. Te zadziwiające obiekty są pełne paradoksów i zagadek. Jedną niewyjaśnionych tajemnic jest to, jak powstają zderzające się ze sobą czarne dziury o masach większych niż 40–50 mas Słońca.

Wiadomo, że masywne gwiazdy wypalają z czasem paliwo, a wówczas ich materia zapada się pod własnym ciężarem w czarną dziurę o masie kilku do kilkudziesięciu mas Słońca. Większe czarne dziury nie mogą powstawać w wyniku zapadania się gwiazd – masywniejsze gwiazdy, zamiast zapadać się w czarne dziury, wybuchają jako supernowe i hipernowe.

Jednak największe gwiazdy, jakie mogą się zapadać, powinny mieć do 50 mas Słońca. Skąd zatem biorą się czarne dziury o masie od 50 do 100 mas Słońca? Są one dość często spotykane we Wszechświecie, bo ich zderzenia – a raczej echa tych zderzeń w postaci fal grawitacyjnych – najczęściej wykrywają detektory fal grawitacyjnych LIGO i Virgo. Uczeni nie mogli wyjaśnić, dlaczego te dziury są tak masywne.

Samo rozszerzanie się Wszechświata wystarczy, by powstawały masywniejsze czarne dziury

Astrofizycy z Uniwersytetów Hawajskiego, Chicago oraz Michigan mają propozycję rozwiązania tej zagadki. W pracy opublikowanej w czasopiśmie naukowym „Astrophysical Journal Letters” dowodzą, że dotychczasowe szacunki dotyczące mas czarnych dziur mogą być błędne. Równania zwykle opisują czarne dziury w statycznym kosmosie, co niezmiernie ułatwia fizykom obliczenia. Jednak jeśli uwzględnić stałe rozszerzanie się Wszechświata, zmienia to wyniki obliczeń.

Najprościej rzecz ujmując, rozszerzanie się samej przestrzeni w ciągu miliardów lat dodaje energii czarnym dziurom, które stają się wskutek tego masywniejsze. Jeśli takie dziury wchodzą w skład układów podwójnych, częściej też zderzają się z innymi gwiazdami, niż do niedawna sądzono. W efekcie powstają właśnie takie czarne dziury, jak obserwowane przez detektory fal grawitacyjnych.

Badacze przeprowadzili szczegółowe symulacje narodzin i życia par masywnych gwiazd oraz ich śmierci, czyli powstawania par czarnych dziur w powiększającym się (a nie statycznym) kosmosie. Wyniki obliczeń i symulacji zgadzają się z danymi obserwowanymi przez LIGO i Virgo. – To tak prosty pomysł, że zdziwiło mnie, że zadziałał – mówi prof. Gregory Tarlé z University of Michigan i jeden z autorów pracy.

Astrofizycy zastrzegają, że na razie to tylko hipoteza sprawdzona w symulacjach. Sądzą jednak, że Laser Interferometer Space Antenna (LISA) – planowany przez ESA eksperyment w przestrzeni kosmicznej, mający na celu bezpośrednie wykrycie fal grawitacyjnych – będzie mógł udowodnić prawdziwość tej hipotezy. Start misji jest planowany na 2034 rok.

Nadal nie wiadomo, skąd się biorą „czarne dziury o masach pośrednich”

Istnieje jeszcze jedna zagadka – dlaczego tak mało jest czarnych dziur o masach pośrednich pomiędzy „zwykłymi” a supermasywnymi. Do niedawna obserwowano tylko czarne dziury o masach do kilkudziesięciu Słońc, a w centrach galaktyk – o masach milionów Słońc.

Dopiero niedawno astronomowie zaobserwowali rozbłysk, świadczący o tym, że obserwowana czarna dziura musiała mieć masę około 10 tysięcy mas Słońca, czyli pośrednią między „zwykłymi” a supermasywnymi. Na razie jednak to pojedynczy przypadek. Dowodzi on, że czarne dziury o masach pośrednich istnieją. Nie wyjaśnia jednak zagadki, czemu obserwujemy ich tak mało.


Źródła: University of Hawaii, Astrophysical Journal Letters.