A tudósok mindezidáig értetlenül álltak az eddigi legfurcsább gravitációshullám-észlelés előtt, amikor is azt látták, hogy gyorsan mozgó, nagy tömegű fekete lyukak elliptikus pályán ütköznek. Egy nemzetközi kutatócsoport azonban most magyarázattal szolgált a rejtélyre: a jelenség akkor fordulhat elő, ha egy gázfelhő is kíséri a galaxis közepén található óriási fekete lyukat.
A fekete lyukak a világegyetem különleges objektumai. Keveset tudunk róluk hiszen nem bocsátanak ki fényt magukból, és egészen 2015-ig a fő információforrásunk az Univerzumról a fény volt. Abban az évben a LIGO először detektált gravitációshullámokat egy feketelyuk-ütközésről, így a kutatók már több információhoz jutottak. Ezek birtokában rendkívül meglepte őket, amikor 2019-ben a LIGO-Virgo gravitációshullám-detektorok egy minden addigitól eltérő jelenséget észleltek.
Egy kilencfős nemzetközi tudóscsoport (köztük három ELTE-s kötődésű magyar fizikus) vizsgálni kezdte a szokatlan észlelést. „A GW190521 elnevezésű esemény során hihetetlenül nehéz és gyors fekete lyukak ütköztek össze. Ráadásul ezek a fekete lyukak nemcsak nagy tömegükben, szokatlanul intenzív mozgásukban tértek el a korábban megfigyelt ütközésektől, hanem pályájuk tekintetében is. Ugyanis nem kör-, hanem elliptikus pályán keringtek az ütközések előtt, és így szinte frontálisan ütköztek egymással” – mondja Bartos Imre, a Floridai Egyetem professzora, aki az erre vonatkozó kutatást vezette. „Ez módfelett meglepett minket, mert eddigi ismereteink szerint a fekete lyukak pályája a gravitációs hullámok miatt még jóval az összeütközés előtt köralakúvá válik” – teszi hozzá Haiman Zoltán, a Columbia Egyetem professzora, a mostani kutatás másik magyar résztvevője.
A kutatók azon kezdtek el gondolkodni, hogyan történhet ez. „ELTE-s doktoranduszaimmal, Szölgyén Ákossal és Máthé Gergővel korábban azt találtuk, hogy a fekete lyukak súlyuknál fogva vastag korongba rendeződnek a galaxis közepén található nagy fekete lyuk körül – mondja Kocsis Bence, az Oxfordi Egyetem professzora. – Akkor azt láttuk, hogy ebben a korongban nagyon sok kisebb fekete lyuk is található, amelyek gravitációs kölcsönhatásuk révén, 'párokba' rendeződve, elliptikus pályán mozognak."
E csillagkettősök kialakulását pusztán az óriási központi fekete lyuk jelenléte nem okozhatja, hiszen gyakori ütközésre csak vékonyabb struktúrában kerülhet sor. Korábban Hiromichi Tagawa, az ELTE akkori posztdoktori kutatója mutatta meg munkatársaival, hogy azokban a galaxismagokban, ahol található egy gázfelhő is, a gáz hatására a fekete lyukak elindulnak befelé, és egymás közelébe kerülve szoros kettősöket formálhatnak. Amikor ezek a kettősök egy harmadik fekete lyukkal is találkoznak, kaotikus táncba kezdenek, úgy pattognak, mint játék közben a billiárdgolyók.
Az eddigi számítások azt feltételezték, hogy a fekete lyukak kölcsönhatása három dimenzióban történik, ami a legtöbb esetben igaz is, de ilyenkor többnyire körkörös kettősök keletkeznek. Amikor a kutatók a GW190521 esemény rejtélyén törték a fejüket, az elliptikus mozgást látva felvetődött bennük, vajon hogyan viselkednének a fekete lyukak kétdimenziós környezetben.
Itt jött be a képbe a kétdimenziós lapos gázfelhő. „A kísérletben azt láttuk, hogy gáz hatására drámaian, akár a háromdimenziós környezetben tapasztaltak 100-szorosára is megnő a nem kör alakú pályák száma” – idézi fel a tapasztaltakat Johan Samsing, a tanulmány első szerzője.
A lapos gázfelhők elmélete a pályák elliptikusságán túl megmagyarázza a GW190521 ütközés másik két, szokatlan tulajdonságát is. A sok kisebb fekete lyuk a gázfelhőbe zsúfolva többszörös ütközést szenved, minden ütközéssel tovább növelve a létrejövő fekete lyuk tömegét. Ezek az egymást követő ütközések pedig a fekete lyukak forgását is felgyorsítják. Mindezek alapján a kutatók megállapították, hogy a különös GW190521 eseményt egy speciális körülmény magyarázhatja: az ütközés egy korong alakú, lapos gázfelhőben történhetett, egy távoli galaxis magjában, egy óriási fekete lyuk közelében.
A felfedezés adalékkal szolgál a kvantummechanika háromtest-problémájához is. “A fekete lyukak viselkedése sokban hasonlít az elektronok pattogására egy kétdimenziós konfigurációban. Ezt a problémát még ELTE-hallgatóként vizsgáltam Cserti Józseffel és Palla Gergellyel, azt kutatva, vajon hogyan teremt a kvantummechanika rendet a káoszban” – egészíti ki a mondottakat Kocsis Bence.
Mindez csak a kezdet. „A kutatók régóta próbálják megérteni a sűrű, lapos gázfelhők működését, de ez nem könnyű. Az eredmény nagyban függ a gázfelhők tulajdonságaitól és attól is, ahogy a fekete lyukak mozognak bennük. A mostani felfedezés új utat nyit és váratlan felfedezésekhez vezethet a gázfelhők vizsgálatában is” – hangsúlyozza Haiman Zoltán.
Az eredményeket részletező tanulmány 2022. március 10-én a Nature oldalán jelent meg.
(Forrás: ELTE)
