Μια λεπτομερής σειρά προσομοιώσεων που διεξήχθησαν από αστροφυσικούς στο Ινστιτούτο Flatiron και τους συνεργάτες τους έδειξε ότι τα μαγνητικά πεδία μπορούν να παράγουν μαύρες τρύπες με μάζες που προηγουμένως θεωρούνταν ως επί το πλείστον ανέφικτες.
Οι μαύρες τρύπες συγκρούονται
Το 2023, οι αστρονόμοι κατέγραψαν ένα δραματικό κοσμικό γεγονός. Δύο ασυνήθιστα μεγάλες μαύρες τρύπες συγκρούστηκαν περίπου 7 δισεκατομμύρια έτη φωτός από τη Γη, το τεράστιο μέγεθος και η γρήγορη περιστροφή τους έθεσαν αμέσως ερωτήματα. Δεν αναμενόταν να σχηματιστούν αντικείμενα με αυτά τα χαρακτηριστικά στο σύμπαν.
Οι λεπτομερείς προσομοιώσεις τους, οι οποίες παρακολουθούν ολόκληρη την εξέλιξη του συστήματος από τη γέννηση των γονικών αστεριών μέχρι την τελική τους κατάρρευση, αποκάλυψαν έναν κρίσιμο παράγοντα που οι προηγούμενες μελέτες είχαν παραβλέψει: την επίδραση των μαγνητικών πεδίων.
«Κανείς δεν έχει εξετάσει αυτά τα συστήματα με τον τρόπο που το κάναμε εμείς. Προηγουμένως, οι αστρονόμοι απλώς ακολουθούσαν μια συντόμευση και παραμελούσαν τα μαγνητικά πεδία», λέει ο Ore Gottlieb, αστροφυσικός στο CCA και επικεφαλής συγγραφέας της νέας μελέτης για το έργο που δημοσιεύτηκε στο The Astrophysical Journal Letters. «Αλλά μόλις λάβετε υπόψη τα μαγνητικά πεδία, μπορείτε πραγματικά να εξηγήσετε την προέλευση αυτού του μοναδικού συμβάντος».
Το αινιγματικό πρόβλημα του χάσματος μάζας
Αρχικά, οι επιστήμονες δεν μπορούσαν να καταλάβουν πώς θα μπορούσαν να έχουν σχηματιστεί τόσο βαριές και ταχέως περιστρεφόμενες μαύρες τρύπες. Τα τεράστια αστέρια συνήθως τερματίζουν τη ζωή τους σε εκρηκτικά γεγονότα σουπερνόβα που μπορούν να αφήσουν πίσω τους μια μαύρη τρύπα. Ωστόσο, τα αστέρια εντός ενός συγκεκριμένου εύρους μάζας συμπεριφέρονται διαφορετικά. Παράγουν αυτό που είναι γνωστό ως σουπερνόβα αστάθειας ζεύγους, μια ισχυρή έκρηξη που καταστρέφει εντελώς το αστέρι και δεν αφήνει κανένα υπόλειμμα.
Αυτές οι τρισδιάστατες απεικονίσεις ενός καταρρεύσαντος σαρ σε άμεσο ορίζοντα με ένα αρχικά ασθενές μαγνητικό πεδίο απεικονίζουν την εξέλιξη του συστήματος. Νωρίς στην κατάρρευση, οι άνεμοι του δίσκου συσσώρευσης αποσυνδέουν μεγάλο μέρος του αστρικού περιβλήματος, μειώνοντας τη μάζα που είναι διαθέσιμη για συσσώρευση στη μαύρη τρύπα. Τελικά, ένας μονόπλευρος πίδακας αναδύεται από την περιοχή ακριβώς έξω από τη μαύρη τρύπα, περιστρέφοντας προς τα κάτω τη μαύρη τρύπα και αποβάλλοντας το υπόλοιπο αστρικό υλικό.
«Ως αποτέλεσμα αυτών των σουπερνόβα, δεν περιμένουμε να σχηματιστούν μαύρες τρύπες με μάζα περίπου 70 έως 140 φορές τη μάζα του ήλιου», λέει ο Gottlieb. «Έτσι ήταν περίεργο να βλέπουμε μαύρες τρύπες με μάζες μέσα σε αυτό το κενό».
Μια πιθανότητα είναι ότι οι μαύρες τρύπες σε αυτό το κενό μάζας σχηματίζονται όταν συγχωνεύονται μικρότερες μαύρες τρύπες, δημιουργώντας μια βαρύτερη. Αλλά για το GW231123, αυτή η εξήγηση φαινόταν απίθανη. Οι συγχωνεύσεις μαύρων τρυπών είναι εξαιρετικά ανατρεπτικά γεγονότα που συνήθως αναστατώνουν την τελική περιστροφή της μαύρης τρύπας. Ωστόσο, οι μαύρες τρύπες σε αυτή τη σύγκρουση περιστρέφονταν ταχύτερα από οποιαδήποτε προηγούμενη μέτρηση του LIGO, τραβώντας τον ιστό του χωροχρόνου μαζί τους σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός. Οι πιθανότητες σχηματισμού δύο τέτοιων μαζικών, ταχέως περιστρεφόμενων μαύρων τρυπών μέσω τυπικών συγχωνεύσεων φάνηκαν εξαιρετικά χαμηλές, γεγονός που υποδηλώνει ότι μια άλλη διαδικασία πρέπει να είναι υπεύθυνη.
Προσομοίωση της εξέλιξης ενός γιγάντιου αστέρα
Ο Gottlieb και οι συνεργάτες του διερεύνησαν διεξάγοντας δύο στάδια υπολογιστικών προσομοιώσεων. Αρχικά προσομοίωσαν ένα γιγάντιο άστρο 250 φορές τη μάζα του ήλιου κατά τη διάρκεια του κύριου σταδίου της ζωής του, από τη στιγμή που αρχίζει να καίει υδρογόνο έως ότου εξαντληθεί και καταρρεύσει σε μια σουπερνόβα. Μέχρι τη στιγμή που ένα τόσο μαζικό άστρο έφτασε στο στάδιο της σουπερνόβα, είχε κάψει αρκετά καύσιμα για να μειωθεί σε μόλις 150 φορές τη μάζα του ήλιου, καθιστώντας το ακριβώς πάνω από το χάσμα μάζας και αρκετά μεγάλο για να αφήσει πίσω του μια μαύρη τρύπα.
Ένα δεύτερο σύνολο πιο σύνθετων προσομοιώσεων, που έλαβαν υπόψη τα μαγνητικά πεδία, ασχολήθηκε με τις συνέπειες του σουπερνόβα. Το μοντέλο ξεκίνησε με τα υπολείμματα του σουπερνόβα, ένα νέφος υπολειμματικού αστρικού υλικού με μαγνητικά πεδία και μια μαύρη τρύπα στο κέντρο του. Προηγουμένως, οι αστρονόμοι υπέθεταν ότι ολόκληρη η μάζα του νέφους θα έπεφτε στη νεογέννητη μαύρη τρύπα, κάνοντας την τελική μάζα της μαύρης τρύπας να ταιριάζει με αυτή του τεράστιου άστρου. Αλλά οι προσομοιώσεις έδειξαν κάτι διαφορετικό.
Τα μαγνητικά πεδία αλλάζουν τη μοίρα των καταρρέοντων αστεριών
Αφού ένα μη περιστρεφόμενο αστέρι καταρρεύσει για να σχηματίσει μια μαύρη τρύπα, το νέφος των υπολειμμάτων των συντριμμιών πέφτει γρήγορα στη μαύρη τρύπα. Ωστόσο, εάν το αρχικό αστέρι περιστρεφόταν γρήγορα, αυτό το νέφος σχηματίζει έναν περιστρεφόμενο δίσκο που προκαλεί τη μαύρη τρύπα να περιστρέφεται όλο και πιο γρήγορα καθώς το υλικό πέφτει στην άβυσσο του. Εάν τα μαγνητικά πεδία Όταν υπάρχουν, ασκούν πίεση στον δίσκο των συντριμμιών. Αυτή η πίεση είναι αρκετά ισχυρή ώστε να εκτοξεύσει μέρος του υλικού μακριά από τη μαύρη τρύπα σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός.
Αυτές οι εκροές τελικά μειώνουν τον όγκο του υλικού στον δίσκο που τελικά τροφοδοτεί τη μαύρη τρύπα. Όσο ισχυρότερα είναι τα μαγνητικά πεδία, τόσο μεγαλύτερο είναι αυτό το φαινόμενο. Σε ακραίες περιπτώσεις με πολύ ισχυρά μαγνητικά πεδία, έως και το ήμισυ της αρχικής μάζας του αστεριού μπορεί να εκτοξευθεί μέσω των εκτοξευόμενων μαύρων τρυπών. Στην περίπτωση των προσομοιώσεων, τα μαγνητικά πεδία δημιούργησαν τελικά μια τελική μαύρη τρύπα στο κενό μάζας.
Οι προσομοιώσεις δείχνουν επίσης ότι ο σχηματισμός αυτών των τύπων μαύρων τρυπών δημιουργεί εκρήξεις ακτίνων γάμμα, οι οποίες μπορεί να είναι παρατηρήσιμες. Η αναζήτηση αυτών των υπογραφών ακτίνων γάμμα θα βοηθούσε στην επιβεβαίωση της προτεινόμενης διαδικασίας σχηματισμού και θα αποκάλυπτε πόσο συχνές μπορεί να είναι αυτές οι τεράστιες μαύρες τρύπες στο σύμπαν. Τελικά, εάν επιβεβαιωθεί μια τέτοια σύνδεση, θα βοηθούσε τους αστρονόμους να αποκτήσουν μια βαθύτερη κατανόηση της θεμελιώδους φυσικής των μαύρων τρυπών.
www.worldenergynews.gr
