Jak rosną czarne dziury? Jest nowy pomysł

Jak rosną czarne dziury? Jest nowa, zaskakująca koncepcja

Czarne dziury to jedne z najbardziej tajemniczych obiektów we Wszechświecie. Astronomowie od dawna zastanawiają się, dlaczego jest tak dużo masywnych czarnych dziur. Nowy model sugeruje, że ich rozmiar może być sprzężony z ekspansją Wszechświata.

W 2015 r. dokonano detekcji pierwszych fal grawitacyjnych – zmarszczek czasoprzestrzeni, które powstają podczas kosmicznych kataklizmów, najczęściej zderzeń czarnych dziur. Badając fale grawitacyjne można obliczyć masy obiektów biorących udział w fuzji. Czasami jednak prowadzi to do kłopotliwych sytuacji.

Głodne czarne dziury

Naukowcy spodziewali się, że w wyniku fuzji czarnych dziur najczęściej powinny powstawać tzw. gwiazdowe czarne dziury – powstające w wyniku kolapsu grawitacyjnego, obiekty o masie od 5 do 30 mas Słońca. Zespół obsługujący detektor fal grawitacyjnych LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) wykrył kilka czarnych dziur o znacznie większych masach, np. 65 i 85 mas Słońca.

To rodzi pytanie: jak te czarne dziury stały się tak duże? Najbardziej oczywiste wyjaśnienie mówi, że obiekty te rosną poprzez pochłanianie materii – pyłu, gazu, gwiazd i innych czarnych dziur. Teraz zaproponowano inną koncepcję. Czarne dziury mogą rosnąć wraz z rozszerzaniem się Wszechświata – to tzw. sprzężenie kosmologiczne.

Pomysł ten jest zgodny z ogólną teorią względności Einsteina, a już samo światło jest pod pewnym względem sprzężone kosmologicznie. Traci bowiem energię wraz z ekspansją Wszechświata.

Postanowiliśmy rozważyć odwrotny efekt. Co zaobserwowałby LIGO-Virgo, gdyby czarne dziury były kosmologicznie sprzężone i zyskiwały energię bez potrzeby zużywania innych gwiazd lub gazu?

Duncan Farrah, współautor badania

Warto wspomnieć, że istniejące modele czarnych dziur zakładają nierozszerzający się Wszechświat. To uproszczenie, ale może poważnie zaburzać wszelkie efekty wywoływane przez sprzężenie kosmologiczne. Postanowiono stworzyć nowy model, w którym masy czarnych dziur są powiązane z rozszerzaniem Wszechświata.

Czytaj też: Dlaczego czarne dziury nie pochłaniają całej materii we wszechświecie?

Nie było zaskoczenia. Nowy model znacznie lepiej odwzorowuje realne obserwacje i nie wymaga wprowadzania żadnych dodatkowych modyfikacji. To jednak wciąż początek drogi – konieczne jest przeprowadzenie dodatkowych symulacji i obserwacji.

Wiele aspektów łączących się czarnych dziur nie jest szczegółowo poznanych, takich jak dominujące środowiska formowania i skomplikowane procesy fizyczne, które utrzymują się przez całe ich życie. Użyliśmy symulowanej populacji gwiazd, która odzwierciedla dane, jakimi obecnie dysponujemy. Widzimy, że sprzężenie kosmologiczne jest użytecznym pomysłem, ale nie możemy jeszcze zmierzyć siły tego sprzężenia.

Michael Zevin, współautor badania

Tajemnice fal grawitacyjnych pomoże nam w przyszłości odkryć, szykowane przez ESA, obserwatorium LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Wyniki badań opublikowano w Astrophysical Journal Letters.