Biliárdgolyóként száguldoznak a fekete lyukak a galaxisok közepén
A fekete lyukak a világegyetem különleges objektumai. Limitáltak az ismereteink róluk nem utolsósorban azért, mert nem bocsátanak ki fényt magukból. Néhány évvel ezelőttig a fő informacióforrásunk az univerzumról a fény volt, amíg 2015-ben a LIGO először detektált gravitációshullámokat egy fekete lyuk ütközésből.
Jelen kutatásban kilenc fizikus dolgozott együtt a világ minden tájáról, ebből három magyar, akik mind az ELTE Természettudományi Karához köthetők: Bartos Imre (Floridai Egyetem, az ELTE volt hallgatója), Haiman Zoltán (Columbia Egyetem, New York, korábban az ELTE Békésy György ösztöndíjasa) és Kocsis Bence (Oxford Egyetem, az ELTE korábbi hallgatója és adjunktusa, jelenleg is külsős témavezetője). Egy fontos elemet találtak ebben a kozmikus kirakós játékban, ami megoldhatja a szokatlan gravitációshullámok eredetére vonatkozó nagy nyitott kérdést.
De miért meglepő ha két fekete lyuk nem körpályán kering egymás körül? “Ez a gravitációshullámok alapvető természetéből fakad. A sugárzó fekete lyukak pályája viszonylag gyorsan köralakúvá válik a gravitációshullámok miatt, jóval az összeütközésük előtt ” magyarázta Haiman Zoltán. Korábbi kutatási eredmények azt mutatták, hogy a nem kör alakú pályák nagyon ritkák. Ez felveti a kérdést: egy amúgy is kivételes fekete lyuk ütközés miért történhetett pont egy ilyen ellipszis alakú pályán?
Bartos Imre (balról) a Floridai Egyetem professzora. Az ELTE-n szerzett diplomát fizikus szakon, majd a Columbia Egyetemen doktorált. A gravitációshullámokat kutatja, tagja a LIGO, LISA és az IceCube kollaborációknak. Haiman Zoltán (középen) kozmológus és asztrofizikius a new york-i Columbia Egyetem professzora. A budapesti Fazekas Mihály gimnáziumban végzett, utána az MIT-n, a Cambridge-i egyetemen majd a Harvard egyetemen tanult. Békésy György posztdoktori ösztöndíjjal 3 évet kutatott részben az ELTE-n. Jelenlegi kutatási területei az első fekete lyukak kialakulása, a feketelyuk kettősök tulajdonságai, valamint a sötét energia és a sötét anyag tanulmányozása a gravitációs lencsehatáson keresztül. Kocsis Bence (jobbról) az Oxford egyetem professzora. Ő is a budapesti Fazekas Mihály gimnáziumban végzett, majd az ELTE-n szerzett diplomát és doktori fokozatot és a GALNUC ERC Starting Grant projektnek volt témavezetője. Gravitációs dinamikai rendszerekkel foglalkozik és a gravitációshullámok asztrofizikai eredetét vizsgálja.
A lehetséges válasz olyan galaxisok központjában rejlik, aminek a közepén egy óriási, a napnál több milliószor nehezebb fekete lyuk található és ami körül örvénylik egy lapos korong alakú gázfelhő.
“Ebben a korongban nagyon sok kisebb fekete lyuk is található, és ezek olyan nagy sebességgel mozognak, hogy
a gravitációs kölcsönhatásuk révén a fekete lyukak biliárdgolyókhoz hasonlóan pattognak egymás között.
Ilyen körülmények között kör alakú kettősök nem létezhetnek” mutatott rá Kocsis Bence. “Ilyen környezet kialakításához az óriás központi fekete lyuk jelenléte önmagában nem elegendő. ELTE-s doktoranduszokkal Szölgyén Ákossal és Máthé Gergővel korábban azt találtuk, hogy a fekete lyukak súlyuknál fogva vastag korongba rendeződnek. De a gyakori ütközésekhez még vékonyabb struktúrára van szükség.
Hiromichi Tagawával, az ELTE korábbi posztdoktori kutatójával megmutattuk, hogy azon galaxismagokban jöhetnek létre a szükséges feltételek, ahol található egy gázfelhő is. A gáz hatására ui. a fekete lyukak eloszlása szinte kétdimenzióssá válik és befelé vándorolnak, majd a véletlen közeli elhaladások során, gáz disszipáció révén, a fekete lyukak szoros kettősöket formálhatnak. Ezen objektumok gyakran összetalálkoznak egy harmadik fekete lyukkal kaotikus táncot járva”.
Kétdimenziós fekete lyuk billiárd
Az eddigi számítások azt feltételezték, hogy a fekete lyukak kölcsönhatása három dimenzióban történik, ami a legtöbb esetben igaz is, de ilyenkor többnyire körkörös kettősök keletkeznek.
“Elkezdtünk azon gondolkodni, mi történne ha a fekete lyukak egy lapos gázfelhőn belül tudnának csak mozogni, ami egy kétdimenziós környezetnek felel meg. Meglepetésünkre azt találtuk, hogy ebben az esetben a nem kör alakú pályák kialakulása drámaian megnő, akár 100-szorosára a háromdimenziós esethez képest. Ez az elmélet remekül illeszkedik a 2019-es megfigyeléshez, miszerint a GW190521 ütközés minden különleges tulajdonsága egyszerre magyarázható azzal hogy egy lapos gázfelhőben történt a folyamat egy távoli galaxis magjában egy óriási fekete lyuk közelében” - részletezi Johan Samsing. Ez a felfedezés hozzátesz a sokszáz éves mechanika problémához is, a háromtestproblémához.
Ez a folyamat is kritikus szerepet játszik abban, hogy a fekete lyukak hogyan ütköznek össze a világegyetem rejtett zugaiban.
“Nagyon érdekes, hogy a fekete lyukak által megvalósított struktúra sokmindenben hasonlít egy teljesen más fizikai rendszerre, amit még ELTE-s hallgatóként vizsgáltam Cserti Józseffel és Palla Gergellyel. A kvantumbilliárd problémában az elektronok pattognak egy kétdimenziós konfigurációban; azt néztük hogyan teremt a kvantummechanika rendet a káoszban. A fekete lyukak erre emlékeztető konfigurációban ütközhettek” – mondta Kocsis Bence.
Fekete lyuk ütközések lapos gázfelhőben
A lapos gázfelhők elmélete az excentricitáson túl automatikusan megmagyarázza a GW190521 ütközés két másik meglepő tulajdonságát is. A nagy fekete lyuk tömeg annak az eredménye, hogy a sok kisebb fekete lyuk a gázfelhőbe zsúfolva többszörös ütközést szenved, minden ütközéssel tovább növelve a létrejövő fekete lyuk tömegét. Ezek az egymást követő ütközések a fekete lyukak forgását is felgyorsítják.
Mindez csak a kezdet. “A kutatók régóta próbálják megérteni a sűrű, lapos gázfelhők tulajdonságait, de ez egy bonyolult probléma. Az eredmény nagyon függ a gázfelhők tulajdonságaitól illetve attól is, hogy a fekete lyukak pontosan hogyan mozognak bennük. A GW190521 forráshoz hasonló fekete lyuk ütközések új módszert nyitnak a gázfelhők vizsgálatára. A kutatást tovább kell folytatni, ami további váratlan felfedezésekhez vezethet” - összegzi Haiman Zoltán.