Niz detaljnih simulacija koje su sproveli astrofizičari s instituta Flatiron i njihovi saradnici pokazao je da magnetna polja mogu proizvesti crne rupe s masama za koje se prije smatralo da su uglavnom nedostižne, piše SciTechDaily.
Godine 2023. zabilježen je dramatičan kozmički događaj. Dvije neobično velike crne rupe sudarile su se na udaljenosti od oko 7 milijardi svjetlosnih godina od Zemlje, a njihova golema veličina i brza rotacija odmah su otvorile brojna pitanja. Naime, nije se očekivalo da se objekti s takvim karakteristikama mogu formirati u svemiru.
Zagonetni problem jaza u masi
Sudar iz 2023, danas poznat pod oznakom GW231123, detektovala je saradnja LIGO-Virgo-KAGRA, koja koristi opservatorije gravitacionih talasa za mjerenje malih poremećaja u prostor-vremenu uzrokovanih masivnim kosmičkim kretanjima.
Naučnici isprva nijesu mogli shvatiti kako su se mogle formirati tako teške i brzo rotirajuće crne rupe. Masivne zvijezde obično završavaju svoj život u eksplozijama supernove koje za sobom mogu ostaviti crnu rupu. Međutim, zvijezde unutar određenog raspona mase proizvode snažnu eksploziju koja potpuno uništi zvijezdu, ne ostavljajući ništa iza sebe.
"Kao rezultat ovih supernova, ne očekujemo da će se crne rupe formirati između otprilike 70 do 140 puta mase Sunca. Stoga je bilo zbunjujuće vidjeti crne rupe s masama unutar ovog jaza", kaže Ore Gottlieb, astrofizičar iz Centra za računarsku astrofiziku na institutu Flatiron.
Jedna od mogućnosti bila je da su nastale spajanjem manjih crnih rupa, no to se objašnjenje činilo malo vjerovatnim jer takvi događaji obično poremete rotaciju konačne crne rupe, dok su se one u ovom sudaru rotirale brže od bilo kojih prethodno izmjerenih.
Ključni faktor - magnetna polja
Istraživači iz CCA, u suradnji s međunarodnim kolegama, identificirali su moguće objašnjenje. Njihove detaljne simulacije, koje prate evoluciju sistema od rođenja zvijezda do njihovog kolapsa, otkrile su ključni faktor koji su ranije studije propustile: uticaj magnetnih polja.
"Niko nije razmatrao ove sisteme na način na koji smo mi. Prethodno su astronomi samo išli prečicom i zanemarivali magnetna polja. Ali kada uzmete u obzir magnetna polja, možete objasniti porijeklo ovog jedinstvenog događaja", kaže Gottlieb, glavni autor nove studije.
Kako magnetna polja mijenjaju sudbinu zvijezda
Gottlieb i njegovi saradnici sproveli su računarske simulacije u dvije faze. Prvo su simulirali divovsku zvijezdu 250 puta masivniju od Sunca kroz cijeli njen životni vijek. Do trenutka supernove, zvijezda se smanjila na 150 Sunčevih masa, što je smješta tik iznad "masenog jaza" i čini je dovoljno velikom da iza sebe ostavi crnu rupu.
Nakon što se zvijezda uruši i formira crnu rupu, preostali materijal formira rotirajući disk koji ubrzava rotiranje crne rupe. Tu na scenu stupaju magnetna polja - ona vrše pritisak na disk, izbacujući dio materijala brzinom bliskom brzini svjetlosti.
Ti odlivi smanjuju količinu materijala koji na kraju upada u crnu rupu. Što su magnetna polja jača, to je učinak veći. U ekstremnim slučajevima, čak polovina izvorne mase zvijezde može biti izbačena. U slučaju simulacija, magnetna polja su na kraju stvorila crnu rupu čija je masa bila unutar spornog "jaza u masi".
"Otkrili smo da prisutnost rotacije i magnetnih polja može fundamentalno promijeniti post-kolapsnu evoluciju zvijezde, čineći masu crne rupe potencijalno značajno manjom od ukupne mase zvijezde u kolapsu", objašnjava Gottlieb.
Povezivanje mase, rotacije i budućih posmatranja
Rezultati sugerišu direktnu vezu između mase crne rupe i brzine njene rotacije. Jaka magnetna polja usporavaju crnu rupu i smanjuju joj masu, stvarajući lakše i sporije rotirajuće crne rupe. Slabija polja, s druge strane, omogućuju nastanak težih i brže rotirajućih crnih rupa. Iako astronomi još nemaju druge sisteme na kojima bi mogli posmatrački testirati ovu vezu, nadaju se da će buduća posmatranja potvrditi ovaj obrazac.
Simulacije takođe pokazuju da formiranje ovakvih crnih rupa stvara bljeskove gama zraka. Potraga za tim signalima pomogla bi potvrditi predloženi proces i otkriti koliko su česte ovakve masivne crne rupe u svemiru, što bi astronomima pružilo dublje razumijevanje fundamentalne fizike crnih rupa.
