Οι συγκρουόμενες μαύρες τρύπες διηγούνται τη νέα ιστορία των αστεριών

Σε μια ομιλία τον περασμένο μήνα στη Σάντα Μπάρμπαρα της Καλιφόρνια, απευθυνόμενη σε μερικούς από τους κορυφαίους αστροφυσικούς του κόσμου, η Σέλμα ντε Μινκ άρχισε να το κυνηγάει. «Πώς σχηματίστηκαν;» άρχισε αυτή.

«Αυτές», όπως όλοι γνώριζαν, ήταν οι δύο τεράστιες μαύρες τρύπες που, πριν από περισσότερα από 1 δισεκατομμύριο χρόνια και σε μια απομακρυσμένη γωνιά του σύμπαντος, σπειροειδώς ενώθηκαν και συγχωνεύτηκαν, δημιουργώντας κύματα στον ιστό του χώρου και του χρόνου. Αυτά τα «βαρυτικά κύματα» κυματίστηκαν προς τα έξω και, στις 14 Σεπτεμβρίου 2015, πέρασαν από τη Γη, χτυπώντας τους υπερευαίσθητους ανιχνευτές του Παρατηρητηρίου Βαρυτικών Κυμάτων Συμβολόμετρου Λέιζερ (LIGO). Η ανακάλυψη του LIGO, που ανακοινώθηκε τον Φεβρουάριο, δικαίωσε θριαμβευτικά την πρόβλεψη του Άλμπερτ Αϊνστάιν το 1916 ότι υπάρχουν βαρυτικά κύματα. Συντονίζοντας αυτές τις μικροσκοπικές δονήσεις στο χωροχρόνο και αποκαλύπτοντας για πρώτη φορά την αόρατη δραστηριότητα των μαύρων τρυπών —αντικείμενα τόσο πυκνά που ούτε το φως μπορεί να ξεφύγει από τη βαρυτική τους έλξη— το LIGO υποσχέθηκε να ανοίξει ένα νέο παράθυρο στο σύμπαν, παρόμοιο, είπαν κάποιοι, όταν ο Γαλιλαίος έστρεψε για πρώτη φορά ένα τηλεσκόπιο στον ουρανό.

Ήδη, τα νέα δεδομένα βαρυτικών κυμάτων έχουν ταράξει το πεδίο της αστροφυσικής. Σε απάντηση, τρεις δωδεκάδες ειδικοί πέρασαν δύο εβδομάδες τον Αύγουστο για να ταξινομήσουν τις επιπτώσεις στο Ινστιτούτο Θεωρητικής Φυσικής Kavli (KITP) στη Σάντα Μπάρμπαρα.

Ξεκινώντας τις συζητήσεις, ο de Mink, επίκουρος καθηγητής αστροφυσικής στο Πανεπιστήμιο του Άμστερνταμ, εξήγησε ότι από τις δύο —και πιθανώς περισσότερες— συγχωνεύσεις μαύρων τρυπών που έχει εντοπίσει το LIGO μέχρι στιγμής, το πρώτο και ισχυρότερο γεγονός, με την ένδειξη GW150914, παρουσίασε το μεγαλύτερο παζλ. Το LIGO αναμενόταν να εντοπίσει ζεύγη μαύρων τρυπών που ζύγιζαν σε γειτονιά 10 φορές μεγαλύτερη από τη μάζα του ήλιου, αλλά αυτές είχαν περίπου 30 ηλιακές μάζες το καθένα. «Είναι εκεί — τεράστιες μαύρες τρύπες, πολύ πιο ογκώδεις από όσο νομίζαμε ότι ήταν», είπε ο Ντε Μινκ στο δωμάτιο. "Λοιπόν, πώς σχηματίστηκαν;"

Το μυστήριο, εξήγησε, είναι διπλό:Πώς έγιναν οι μαύρες τρύπες τόσο μαζικές, λαμβάνοντας υπόψη ότι τα αστέρια, μερικά από τα οποία καταρρέουν για να σχηματίσουν μαύρες τρύπες, συνήθως φυσούν το μεγαλύτερο μέρος της μάζας τους πριν πεθάνουν, και πώς έφτασαν τόσο κοντά στο το ένα το άλλο — αρκετά κοντά για να συγχωνευθούν κατά τη διάρκεια ζωής του σύμπαντος; «Αυτά είναι δύο πράγματα που αλληλοαποκλείονται», είπε ο Ντε Μινκ. Ένα ζευγάρι αστεριών που γεννιούνται τεράστια και κοντά μεταξύ τους κανονικά θα αναμειγνύονται και στη συνέχεια θα συγχωνεύονται πριν καταρρεύσουν ποτέ σε μαύρες τρύπες, αποτυγχάνοντας να εκτοξεύσουν ανιχνεύσιμα βαρυτικά κύματα.

Η αποτύπωση της ιστορίας πίσω από το GW150914 «αποτελεί πρόκληση για όλη μας την κατανόηση», δήλωσε ο Matteo Cantiello, αστροφυσικός στο KITP. Οι ειδικοί πρέπει να παρακολουθήσουν ξανά τα αβέβαια βήματα από τη στιγμή της συγχώνευσης μέχρι τον θάνατο, τη ζωή και τη γέννηση ενός ζεύγους άστρων - μια ακολουθία που περιλαμβάνει πολύ άλυτη αστροφυσική. «Αυτό θα αναζωογονήσει πραγματικά ορισμένα παλιά ερωτήματα στην κατανόησή μας για τα αστέρια», είπε ο Έλιοτ Κουτάερτ, καθηγητής αστρονομίας στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ και ένας από τους διοργανωτές του προγράμματος KITP. Η κατανόηση των δεδομένων του LIGO θα απαιτήσει έναν υπολογισμό του πότε και γιατί τα αστέρια γίνονται σουπερνόβα. ποια μετατρέπονται σε ποια είδη αστρικών υπολειμμάτων. πώς η σύνθεση, η μάζα και η περιστροφή των άστρων επηρεάζουν την εξέλιξή τους. πώς λειτουργούν τα μαγνητικά τους πεδία. κι αλλα.

Το έργο μόλις ξεκίνησε, αλλά ήδη οι πρώτες λίγες ανιχνεύσεις του LIGO έχουν ωθήσει δύο θεωρίες δυαδικού σχηματισμού μαύρης τρύπας στο μπροστινό μέρος του πακέτου. Κατά τη διάρκεια των δύο εβδομάδων στη Σάντα Μπάρμπαρα, ο ανταγωνισμός αναζωπυρώθηκε μεταξύ του νέου «χημικά ομοιογενούς» μοντέλου για το σχηματισμό δυαδικών στοιχείων μαύρης τρύπας, που προτάθηκε από τον de Mink και τους συναδέλφους του νωρίτερα φέτος, και του κλασικού μοντέλου «κοινού φακέλου» που υποστηρίζεται από πολλούς άλλους ειδικούς. Και οι δύο θεωρίες (και ένα σύμπλεγμα ανταγωνιστών) μπορεί να ισχύουν κάπου στον κόσμο, αλλά πιθανώς μόνο μία από αυτές ευθύνεται για τη συντριπτική πλειοψηφία των συγχωνεύσεων μαύρης τρύπας. «Στην επιστήμη», είπε ο Daniel Holz από το Πανεπιστήμιο του Σικάγο, ένας υποστηρικτής του κοινού φακέλου, «υπάρχει συνήθως μόνο μία κυρίαρχη διαδικασία — για οτιδήποτε».

Ιστορίες αστεριών

Η ιστορία του GW150914 ξεκινά σχεδόν σίγουρα με τεράστια αστέρια — αυτά που είναι τουλάχιστον οκτώ φορές βαρύτερα από τον ήλιο και τα οποία, αν και σπάνια, παίζουν πρωταγωνιστικό ρόλο στους γαλαξίες. Τα τεράστια αστέρια είναι αυτά που εκρήγνυνται ως σουπερνόβα, εκτοξεύοντας ύλη στο διάστημα για να ανακυκλωθεί ως νέα αστέρια. Μόνο οι πυρήνες τους καταρρέουν στη συνέχεια σε μαύρες τρύπες και αστέρια νετρονίων, τα οποία οδηγούν εξωτικά και επιδραστικά φαινόμενα όπως εκρήξεις ακτίνων γάμμα, πάλσαρ και δυαδικά συστήματα ακτίνων Χ. Ο De Mink και οι συνεργάτες του έδειξαν το 2012 ότι τα περισσότερα γνωστά τεράστια αστέρια ζουν σε δυαδικά συστήματα. Αστέρια με δυαδική μάζα, στην αφήγηση της, «χορεύουν» και «φιλιούνται» και ρουφούν το ένα το καύσιμο υδρογόνου του άλλου «σαν βαμπίρ», ανάλογα με τις περιστάσεις. Ποιες όμως περιστάσεις τους οδηγούν να συρρικνωθούν σε σημεία που υποχωρούν πίσω από τα πέπλα του σκότους και μετά συγκρούονται;

Η συμβατική ιστορία του κοινού φακέλου, που αναπτύχθηκε εδώ και δεκαετίες, ξεκινώντας με το έργο της δεκαετίας του 1970 των Σοβιετικών επιστημόνων Aleksandr Tutukov και Lev Yungelson, λέει για ένα ζευγάρι τεράστια αστέρια που γεννιούνται σε μια ευρεία τροχιά. Καθώς το πρώτο αστέρι τελειώνει από καύσιμο στον πυρήνα του, τα εξωτερικά στρώματα υδρογόνου του φουσκώνουν, σχηματίζοντας έναν «κόκκινο υπεργίγαντα». Μεγάλο μέρος αυτού του αερίου υδρογόνου απορροφάται από το δεύτερο αστέρι, σε στυλ βαμπίρ, και ο πυρήνας του πρώτου άστρου τελικά καταρρέει σε μια μαύρη τρύπα. Η αλληλεπίδραση φέρνει το ζεύγος πιο κοντά, έτσι ώστε όταν το δεύτερο αστέρι φουσκώσει σε έναν υπεργίγαντα, να τους καταβροχθίσει σε έναν κοινό φάκελο. Οι σύντροφοι βυθίζονται όλο και πιο κοντά καθώς περνούν μέσα από το αέριο υδρογόνο. Τελικά, ο φάκελος χάνεται στο διάστημα και ο πυρήνας του δεύτερου αστέρα, όπως και του πρώτου, καταρρέει σε μια μαύρη τρύπα. Οι δύο μαύρες τρύπες είναι αρκετά κοντά ώστε κάποια μέρα να συγχωνευθούν.

Επειδή τα αστέρια ρίχνουν τόση μάζα, αυτό το μοντέλο αναμένεται να δημιουργήσει ζεύγη μαύρων τρυπών στην ελαφρύτερη πλευρά, που ζυγίζουν στο πάρκο 10 ηλιακών μαζών. Το δεύτερο σήμα του LIGO, από τη συγχώνευση μαύρων οπών οκτώ και 14 ηλιακής μάζας, είναι ένα εγχώριο παιχνίδι για το μοντέλο. Αλλά ορισμένοι ειδικοί λένε ότι το πρώτο συμβάν, το GW150914, είναι ένα τέντωμα.

Σε μια εφημερίδα του Ιουνίου στο Φύση , Holz και οι συνεργάτες Krzysztof Belczynski, Tomasz Bulik και Richard O'Shaughnessy υποστήριξαν ότι οι κοινοί φάκελοι μπορούν θεωρητικά να δημιουργήσουν συγχωνεύσεις μαύρων οπών 30 ηλιακής μάζας εάν τα πρωτόγονα αστέρια ζυγίζουν περίπου 90 ηλιακές μάζες και δεν περιέχουν σχεδόν καθόλου μέταλλα απώλειας μάζας ). Τέτοια βαριά δυαδικά συστήματα είναι πιθανό να είναι σχετικά σπάνια στο σύμπαν, εγείροντας αμφιβολίες σε ορισμένα μυαλά σχετικά με το εάν το LIGO θα είχε παρατηρήσει μια τέτοια ακραία τιμή τόσο σύντομα. Στη Σάντα Μπάρμπαρα, οι επιστήμονες συμφώνησαν ότι εάν το LIGO εντοπίσει πολλές πολύ βαριές συγχωνεύσεις σε σχέση με ελαφρύτερες, αυτό θα αποδυναμώσει την υπόθεση για το σενάριο του κοινού φακέλου.

Αυτή η αδυναμία της συμβατικής θεωρίας έχει δημιουργήσει ένα άνοιγμα για νέες ιδέες. Μια τέτοια ιδέα ξεκίνησε το 2014, όταν ο de Mink και ο Ilya Mandel, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο του Μπέρμιγχαμ και μέλος της συνεργασίας LIGO, συνειδητοποίησαν ότι ένας τύπος συστήματος δυαδικών αστεριών που ο de Mink έχει μελετήσει για χρόνια μπορεί να είναι εισιτήριο για το σχηματισμό τεράστιων δυαδικών μαύρων οπών.

Το χημικά ομοιογενές μοντέλο ξεκινά με ένα ζευγάρι ογκώδη αστέρια που περιστρέφονται το ένα γύρω από το άλλο εξαιρετικά γρήγορα και τόσο κοντά μεταξύ τους που «κλειδώνουν παλιρροιακά», όπως οι χορευτές ταγκό. Στο ταγκό, «είσαι εξαιρετικά δεμένοι, οπότε τα σώματά σου αντικρίζουν το ένα το άλλο όλη την ώρα», είπε η ίδια η χορεύτρια ντε Μινκ. «Και αυτό σημαίνει ότι περιστρέφεστε ο ένας γύρω από τον άλλο, αλλά σας αναγκάζει επίσης να περιστρέφεστε γύρω από τον δικό σας άξονα». Αυτή η περιστροφή ανακατεύει τα αστέρια, καθιστώντας τα ζεστά και ομοιογενή σε όλη τη διάρκεια. Και αυτή η διαδικασία μπορεί να επιτρέψει στα αστέρια να υποστούν σύντηξη σε ολόκληρο το εσωτερικό τους, και όχι μόνο στον πυρήνα τους, έως ότου και τα δύο αστέρια καταναλώσουν όλο τους το καύσιμο. Επειδή τα αστέρια δεν διαστέλλονται ποτέ, δεν αναμειγνύονται ούτε ρίχνουν μάζα. Αντίθετα, το καθένα καταρρέει χονδρικά κάτω από το δικό του βάρος σε μια τεράστια μαύρη τρύπα. Οι μαύρες τρύπες χορεύουν για μερικά δισεκατομμύρια χρόνια, σταδιακά πλησιάζοντας όλο και πιο κοντά έως ότου, σε ένα κλάσμα του δευτερολέπτου που λυγίζει το χωροχρόνο, συνενώνονται.

Ο Ντε Μινκ και ο Μαντέλ υποστήριξαν το χημικά ομοιογενές μοντέλο σε μια εφημερίδα που δημοσιεύτηκε στο διαδίκτυο τον Ιανουάριο. Μια άλλη εργασία που προτείνει την ίδια ιδέα, από ερευνητές στο Πανεπιστήμιο της Βόννης με επικεφαλής τον μεταπτυχιακό φοιτητή Pablo Marchant, εμφανίστηκε μέρες αργότερα. Όταν το LIGO ανακοίνωσε την ανίχνευση του GW150914 τον επόμενο μήνα, η χημικά ομοιογενής θεωρία έγινε γνωστή. «Αυτό που συζητώ ήταν μια αρκετά τρελή ιστορία μέχρι τη στιγμή που δημιούργησε, πολύ ωραία, μαύρες τρύπες της σωστής μάζας», είπε ο de Mink.

Ωστόσο, εκτός από κάποια προσωρινά στοιχεία, η ύπαρξη αναδευόμενων αστέρων είναι εικαστική. Και ορισμένοι ειδικοί αμφισβητούν την αποτελεσματικότητα του μοντέλου. Οι προσομοιώσεις υποδηλώνουν ότι το χημικά ομοιογενές μοντέλο δυσκολεύεται να εξηγήσει μικρότερα δυαδικά στοιχεία μαύρης τρύπας όπως αυτά στο δεύτερο σήμα του LIGO. Ακόμη χειρότερα, έχει προκύψει αμφιβολία για το πόσο καλά η θεωρία αντιπροσωπεύει πραγματικά το GW150914, το οποίο υποτίθεται ότι είναι η κύρια ιστορία επιτυχίας του. «Είναι ένα πολύ κομψό μοντέλο», είπε ο Holz. «Είναι πολύ συναρπαστικό. Το πρόβλημα είναι ότι δεν φαίνεται να λειτουργεί πλήρως."

All Spun Up

Μαζί με τις μάζες των μαύρων τρυπών που συγκρούονται, τα σήματα βαρυτικών κυμάτων του LIGO αποκαλύπτουν επίσης εάν οι μαύρες τρύπες περιστρέφονταν. Αρχικά, οι ερευνητές έδωσαν λιγότερη προσοχή στη μέτρηση του σπιν, εν μέρει επειδή τα βαρυτικά κύματα καταγράφουν τη σπιν μόνο εάν οι μαύρες τρύπες περιστρέφονται γύρω από τον ίδιο άξονα γύρω από τον οποίο περιστρέφονται η μία γύρω από την άλλη, χωρίς να λένε τίποτα για περιστροφή προς άλλες κατευθύνσεις. Ωστόσο, σε ένα άρθρο του Μαΐου, οι ερευνητές του Ινστιτούτου Προηγμένων Μελετών στο Πρίνστον της Νέας Υόρκης και του Εβραϊκού Πανεπιστημίου της Ιερουσαλήμ υποστήριξαν ότι το είδος της περιστροφής που μετράει το LIGO είναι ακριβώς το είδος που θα αναμενόταν να έχουν οι μαύρες τρύπες εάν σχηματίζονταν μέσω χημικά ομοιογενές κανάλι. (Οι χορευτές του τάνγκο περιστρέφονται και περιφέρονται ο ένας στον άλλον προς την ίδια κατεύθυνση.) Και όμως, οι μαύρες τρύπες 30 ηλιακής μάζας στο GW150914 μετρήθηκαν ότι έχουν πολύ χαμηλό σπιν, αν υπάρχει, φαινομενικά πλήγμα ενάντια στο σενάριο του τάνγκο.

"Είναι το σπιν πρόβλημα για το χημικά ομοιογενές κανάλι;" Ο Sterl Phinney, καθηγητής αστροφυσικής στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια, ώθησε την ομάδα της Santa Barbara ένα απόγευμα. Μετά από κάποια συζήτηση, οι επιστήμονες συμφώνησαν ότι η απάντηση ήταν ναι.

Ωστόσο, λίγες μέρες αργότερα, ο de Mink, ο Marchant και ο Cantiello βρήκαν μια πιθανή διέξοδο για τη θεωρία. Ο Cantiello, ο οποίος πρόσφατα έκανε βήματα στη μελέτη των αστρικών μαγνητικών πεδίων, συνειδητοποίησε ότι τα τανγκό αστέρια στο χημικά ομοιογενές κανάλι είναι ουσιαστικά περιστρεφόμενες σφαίρες φορτίου που θα είχαν ισχυρά μαγνητικά πεδία και αυτά τα μαγνητικά πεδία είναι πιθανό να προκαλέσουν ροή των εξωτερικών στρωμάτων του άστρου σε ισχυρούς πόλους. Με τον ίδιο τρόπο που ένας περιστρεφόμενος καλλιτεχνικός πατινέρ επιβραδύνει όταν απλώνει τα χέρια του, αυτοί οι πόλοι θα λειτουργούσαν σαν φρένα, μειώνοντας σταδιακά το γύρισμα των αστεριών. Το τρίο από τότε εργάζεται για να δει αν οι προσομοιώσεις τους επιβεβαιώνουν αυτήν την εικόνα. Ο Quataert ονόμασε την ιδέα «εύλογη αλλά ίσως λίγο νυφίτσα».

Την τελευταία ημέρα του προγράμματος, προετοιμάζοντας το σκηνικό για ένα γεμάτο γεγονότα φθινόπωρο καθώς το LIGO επανέρχεται στο διαδίκτυο με υψηλότερη ευαισθησία και περισσότερα σήματα βαρυτικών κυμάτων, οι επιστήμονες υπέγραψαν τη «Διακήρυξη του Phinney», μια λίστα με συγκεκριμένες δηλώσεις σχετικά με τις διάφορες θεωρίες τους. προλέγω. «Αν και όλα τα μοντέλα για δυαδικά αρχεία μαύρης τρύπας μπορεί να δημιουργηθούν ίσα (εκτός από αυτά τα κατώτερα που προτείνουν οι ανταγωνιστές μας),» ξεκινά η δήλωση, που συνέταξε ο Phinney, «ελπίζουμε ότι τα δεδομένα παρατήρησης σύντομα θα τα καταστήσουν αναμφισβήτητα άνισα».

Καθώς τα δεδομένα συσσωρεύονται, μια αουτσάιντερ θεωρία του δυαδικού σχηματισμού μαύρης τρύπας θα μπορούσε να κερδίσει έλξη - για παράδειγμα, η ιδέα ότι τα δυαδικά στοιχεία σχηματίζονται μέσω δυναμικών αλληλεπιδράσεων μέσα σε πυκνές περιοχές σχηματισμού άστρων που ονομάζονται «σφαιρικά σμήνη». Η πρώτη εκτέλεση του LIGO πρότεινε ότι οι συγχωνεύσεις μαύρων οπών είναι πιο συχνές από ό,τι προβλέπει το μοντέλο σφαιρικού σμήνου. Αλλά ίσως το πείραμα μόλις στάθηκε τυχερό την τελευταία φορά και το εκτιμώμενο ποσοστό συγχώνευσης θα μειωθεί.

Προσθέτοντας στο μείγμα, μια ομάδα κοσμολόγων πρόσφατα διατύπωσε τη θεωρία ότι το GW150914 μπορεί να προήλθε από τη συγχώνευση αρχέγονων μαύρων οπών, οι οποίες δεν ήταν ποτέ αστέρια στην αρχή, αλλά μάλλον σχηματίστηκαν λίγο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη από την κατάρρευση ενεργητικών τμημάτων του χωροχρόνου. Περιέργως, οι ερευνητές υποστήριξαν σε μια πρόσφατη εργασία στο Physical Review Letters ότι τέτοιες αρχέγονες μαύρες τρύπες 30 ηλιακής μάζας θα μπορούσαν να αποτελούν μέρος ή το σύνολο της «σκοτεινής ύλης» που λείπει που διαπερνά το σύμπαν. Υπάρχει ένας τρόπος δοκιμής της ιδέας έναντι αστροφυσικών σημάτων που ονομάζονται γρήγορες ραδιοεκρήξεις.

Είναι ίσως πολύ νωρίς για να σταθούμε σε μια τέτοια δελεαστική πιθανότητα. Οι αστροφυσικοί επισημαίνουν ότι θα απαιτούσε ύποπτα καλή τύχη για τις μαύρες τρύπες από τη Μεγάλη Έκρηξη να συγχωνευθούν ακριβώς την κατάλληλη στιγμή για να τις εντοπίσουμε, 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια αργότερα. Αυτό είναι ένα άλλο παράδειγμα της νέας λογικής που πρέπει να αντιμετωπίσουν οι ερευνητές στην αυγή της αστρονομίας των βαρυτικών κυμάτων. «Είμαστε σε ένα πραγματικά διασκεδαστικό στάδιο», είπε ο de Mink. "Είναι η πρώτη φορά που σκεφτόμαστε σε αυτές τις φωτογραφίες."

Αυτό το άρθρο ανατυπώθηκε στο Wired.com.