Sciencemag.cz
Doporučujeme
V roce 2023 astronomové zaznamenali ve vzdálenosti asi 7 miliard světelných let obří kolizi: srážku dvou hmotných černých děr. Obrovská hmotnost a extrémní rotace těchto černých děr astronomy mátly. Černé díry jako tyto by vůbec neměly existovat.
Astronomové z Flatiron Institute a dalších institucí nyní vysvětlili (tvrdí, že vysvětlili), jak se tyto černé díry mohly vytvořit a srazit se. Komplexní simulace, které sledují systém od života mateřských hvězd až po jejich konečnou smrt, odhalily chybějící část, kterou předchozí studie přehlížely: magnetická pole. „Jakmile vezmete v úvahu magnetická pole, můžete skutečně vysvětlit původ této jedinečné události,“ uvádí hlavní autor studie Ore Gottlieb.
Srážka GW231123 zaznamenaná v roce 2023 byla pozorována v rámci spolupráce LIGO-Virgo-KAGRA pomocí detektorů, které měří gravitační vlny. V té době astronomové nedokázali pochopit, jak mohly vzniknout tak velké rychle rotující černé díry. Když masivní hvězdy dosáhnou konce svého života, mnoho z nich se zhroutí a exploduje jako supernova, přičemž po sobě zanechá černou díru. Pokud však hvězda spadá do určitého hmotnostního rozmezí, vytvoří se supernova zvláštního typu. Tato exploze („supernova s párovou nestabilitou“) je tak prudká, že hvězda je zcela zničena a nezbude po níc nic.
„V důsledku toho neočekáváme, že by mohly vznikat černé díry s hmotností přibližně 70 až 140 Sluncí,“ uvádí O. Gottlieb. „Bylo tedy záhadné pozorovat černé díry s hmotností v tomto rozmezí.“
Černé díry v této hmotnostní mezeře mohou vznikat nepřímo, když se dvě černé díry spojí a vytvoří větší černou díru, ale v případě GW231123 vědci považovali tuto možnost za nepravděpodobnou. Spojení černých děr je nesmírně chaotická událost, která často naruší rotaci výsledné černé díry. Černé díry GW231123 byly přitom nejrychleji rotujícími černými dírami, jaké observatoř LIGO zaznamenala, a táhly časoprostor kolem sebe téměř rychlostí světla. Dvě černé díry takové velikosti a rotace jsou neuvěřitelně nepravděpodobné, takže astronomové usoudili, že v tom musí být něco jiného.
Gottlieb a jeho spolupracovníci provedli dvoufázové počítačové simulace. Nejprve simulovali obří hvězdu s hmotností 250krát větší než Slunce v hlavní fázi jejího života, od okamžiku, kdy začala spalovat vodík, až do okamžiku, kdy se vyčerpala a zhroutila se v supernovu. Než taková masivní hvězda dosáhla fáze supernovy, spálila dostatek paliva, aby se zmenšila na pouhých 150násobek hmotnosti Slunce, což ji dostalo těsně nad hmotnostní mezeru a bylo to dost na to, aby po sobě zanechala černou díru.
Druhá sada složitějších simulací, které zohledňovaly magnetická pole, se zabývala výsledkem výbuchu supernovy. Model vycházel ze zbytků supernovy, mraku zbytkového hvězdného materiálu protkaného magnetickými poli a černé díry v jeho středu. Astronomové dříve předpokládali, že celá hmota mraku spadne do nově vzniklé černé díry, takže konečná hmotnost černé díry bude odpovídat hmotnosti velmi hmotné hvězdy. Simulace však ukázaly něco jiného: Poté, co se nerotující hvězda zhroutí a vytvoří černou díru, oblak zbytků rychle spadne do černé díry. Pokud se však původní hvězda rychle otáčela, vytvoří tento oblak rotující disk, který způsobí, že se černá díra otáčí stále rychleji a rychleji, jak materiál padá do její propasti. Pokud jsou přítomna magnetická pole, vyvíjejí tlak na disk trosek. Tento tlak je dostatečně silný, aby část materiálu vymrštil z černé díry téměř rychlostí světla.
Tyto výtrysky nakonec snižují množství hmoty v disku, která se nakonec dostává do černé díry. Čím silnější jsou magnetická pole, tím je tento efekt větší. V extrémních případech s velmi silnými magnetickými poli může být až polovina původní hmotnosti hvězdy vyvržena prostřednictvím výtrysku z disku černé díry. V případě simulací magnetická pole nakonec vytvořila černou díru v příslušné „hmotnostní mezeře“.
„Zjistili jsme, že přítomnost rotace a magnetických polí může zásadně změnit vývoj hvězdy po kolapsu, což může vést k tomu, že hmotnost černé díry bude potenciálně výrazně nižší než celková hmotnost kolabující hvězdy,“ říká Gottlieb.
Simulace také ukazují, že při vzniku těchto typů černých děr dochází k výbuchům gama záření, které by mohly být pozorovatelné. Hledání takových stop gama záření by pomohlo potvrdit navrhovaný proces vzniku a odhalit, jak časté jsou tyto masivní černé díry ve vesmíru.
Ore Gottlieb et al, Spinning into the Gap: Direct-horizon Collapse as the Origin of GW231123 from End-to-end General-relativistic Magnetohydrodynamic Simulations, The Astrophysical Journal Letters (2025). DOI: 10.3847/2041-8213/ae0d81
Zdroj: Simons Foundation / Phys.org, přeloženo / zkráceno
