Auguszta
-3 °C
2 °C

Honnan vannak a szupernagy fekete lyukak?

2013.11.22. 08:35

A California Institute of Technology (Caltech) kutatóinak új, számítógépes modellje szerint a korai univerzum szupernagy tömegű fekete lyukai első generációs szupernagy tömegű csillagok összeroskadásakor létrejött kisebb fekete lyukak összeolvadásával kezdhettek el növekedni. Az eredményeket részletező szakcikk a Physical Review Letters c. folyóiratban jelent meg.

Az elméletek szerint a fekete lyukak széles tömegskálán léteznek: ennek egyik végén azok állnak, melyek nagy tömegű csillagok magjának összeroskadása során jönnek létre, míg a másikon pedig azok az úgynevezett szupernagy tömegű fekete lyukak, melyek a galaxisok centrumában helyezkednek el, és tömegük akár a Napénak milliárdszorosát is meghaladhatja.

Egy szupernagy tömegű csillag kollapszusának és fragmentációjának különböző fázisai Reisswig és munkatársai szuperszámítógépes szimulációinak alapján. Mindegyik panel a csillag egyenlítői síkjában mutatja a sűrűségeloszlást. A gyorsan forgó objektum végzete két, végül összeolvadó fekete lyuk kialakulása.
Egy szupernagy tömegű csillag kollapszusának és fragmentációjának különböző fázisai Reisswig és munkatársai szuperszámítógépes szimulációinak alapján. Mindegyik panel a csillag egyenlítői síkjában mutatja a sűrűségeloszlást. A gyorsan forgó objektum végzete két, végül összeolvadó fekete lyuk kialakulása.
Fotó: Christian Reisswig/Caltech / Csillagaszat.hu

Nagyon hosszú idő alatt a kisebb fekete lyukak a környező anyag beszippantásával vagy összeolvadással akár nagyon nagy tömegűvé is növekedhetnek, de ez a lassú folyamat nem magyarázhatja azt, hogy ezek a szörnyek már a korai univerzumban, az ősrobbanás után kevesebb mint 1 milliárd évvel is léteztek. Ezt az ellentmondást próbálják feloldani a Caltech kutatói.

Fontosak a csíra fekete lyukak

A szupernagy tömegű fekete lyukak növekedésének egyes modelljeiben fontos szerep jut a kisebb tömegű, úgynevezett csíra fekete lyukaknak, melyek az univerzum legelső csillagainak pusztulása során jöttek létre. Ezek az objektumok a környezetükben található anyag elnyelésével vagy a hozzájuk hasonló fekete lyukakkal történő összeolvadás következtében növelhetik a tömegüket. A mostani kutatás vezetője, Christian Reisswig (NASA Einstein Postdoctoral Fellow in Astrophysics, Caltech) szerint azonban így egyszerűen nem volt elég idő a már a korai univerzumban is jelen lévő monstrumok kialakulására. Ez csak akkor tűnik lehetségesnek, ha már a szóban forgó fekete lyukak csíráit létrehozó ősi csillagok is kellően nagy tömeggel bírtak.

A korai nagy tömegű fekete lyukak kialakulását Reisswig és munkatársai szuperszámítógépen futtatott modelljükben olyan szupernagy tömegű csillagok pusztulásához kötik, melyek az ősrobbanás után csak nagyon rövid ideig léteztek. Ezen objektumokat - rövid életük alatt - a gravitáció és a belsejükben uralkodó óriási hőmérséklet által szabályozott sugárnyomás egyensúlya stabilizálta.

A fotonok formájában kisugárzott rengeteg energia miatt azonban a csillagok lassan lehűltek, így a gravitáció növekvő túlsúlya miatt centrális sűrűségük egyre nőtt, ami néhány millió év alatt instabilitáshoz és gravitációs összeomláshoz vezetett.

A korábbi vizsgálatok szerint a szupernagy tömegű csillagok kollapszusa gömbszimmetrikusan zajlik - ezt esetleg csak a csillag gyors forgása által okozott lapultság befolyásolhatja -, de a folyamat így is tengelyszimmetrikus marad. A nagyon gyorsan rotáló csillagoknál azonban éppen a forgás miatt felléphetnek olyan kicsiny perturbációk, melyek következtében a tengelyszimmetrikustól eltérő kollapszus léphet fel. Reisswig és munkatársai pedig pont ezeket, az idővel gyorsan növekedő zavarokat vizsgálták, melyek eredményeként az összeomló csillagban nagy sűrűségű csomósodások alakulhatnak ki.

Egy csilllagból két fekete lyuk

A modell szerint ezek a részek a csillag magja körül keringenek, és idővel a környező anyag összegyűjtésével elegendően nagy sűrűségűvé és hőmérsékletűvé válnak ahhoz, hogy bennük elektron-pozitron párok jöjjenek létre. Ez azonban a nyomás csökkenésével, így az összeomlás folyamatának gyorsulásával jár. Végeredményben két rész alakul ki, melyek végül olyan sűrűvé válnak, hogy mindkettőből egy-egy fekete lyuk jön létre. Ezek pedig a tömegközéppont körül spirálozva a folyamat végén egyetlen nagy tömegű fekete lyukká olvadnak össze. Reisswig szerint eddig még senki sem állt elő olyan modellel, amely szerint egyetlen csillag összeomlásából kettő, a későbbiek során összeolvadó fekete lyuk jönne létre.

Bár Reisswig és kollégáinak vizsgálata numerikus számítógépes modelleken alapul, így tisztán elméleti megközelítésnek tekinthető, egészen konkrét gyakorlati következményei is lehetnek. A két fekete lyuk kialakulása és összeolvadása által okozott, az Einstein-féle általános relativitáselmélet által megjósolt gravitációs hullámokat ugyanis előbb-utóbb észlelni is tudjuk majd. Többek között a Caltech részvételével ilyen vizsgálatokra épült a LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) is, de Reisswig szerint valószínűleg csak a jövőbeni űrbeli megfelelői lesznek alkalmasak majd a jelen jóslatot is igazoló mérések elvégzésére.