Dlaczego czarne dziury są masywniejsze, niż przewiduje teoria? Fizycy znaleźli wyjaśnienie tej zagadki

Fizycy nie wiedzieli, dlaczego czarne dziury obserwowane przez detektory fal grawitacyjnych są masywniejsze, niż przewidują to modele matematyczne. Grupa naukowców sądzi, że modele te nie uwzględniały jednego czynnika – rozszerzania się Wszechświata.
Dlaczego czarne dziury są masywniejsze, niż przewiduje teoria? Fizycy znaleźli wyjaśnienie tej zagadki

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.