Observatóriá gravitačných vĺn zaznamenali vznik doteraz najhmotnejšej čiernej diery splynutím dvoch menších čiernych dier. Vytvorila sa tak možnosť overiť si naše názory na vznik čiernych dier.
Krátke rozvlnenie priestoročasu zaregistrované 21. mája 2019 o 3:02:29 UT (svetového času, ktorý je o 1 hodinu neskôr za naším SELČ), zaregistrované americkým detektorom gravitačných vĺn LIGO a európskym detektorom Virgo, potvrdzuje existenciu čiernych dier strednej hmotnosti. Astrofyzikom to poskytlo nový pohľad na rast týchto vesmírnych nenásytníkov.
Zrážka a splynutie
Signál trvajúci len 0,1 sekundy, katalogizovaný pod označením GW190521, vznikol pred zhruba 7 miliardami rokov, keď sa dve čierne diery s hviezdnymi hmotnosťami vo vzdialenej galaxii zrazili a splynuli na obra s hmotnosťou 142 hmotností nášho Slnka – na najhmotnejšiu dieru doteraz objavenú pomocou gravitačných vĺn vyžiarených pri jej vzniku splynutím dvoch menších. Tento objav poukazuje na to, že čierne diery môžu rásť pomocou splývania s inými a možno takto vznikajú aj superhmotné čierne diery, ktoré nachádzame v jadrách galaxií. Krátke trvanie a nízka frekvencia (okolo 60 Hz) gravitačných vĺn nechávajú trocha miesta aj pre iné, exotickejšie vysvetlenie. Najpravdepodobnejšou však aj tak ostáva možnosť, že ide o extrémne hmotnú čiernu dieru, tvrdí Chris Van Den Broeck z Univerzity v Utrechte.
Detailná analýza signálu ukazuje, že kolidujúce čierne diery mali hmotnosť 66 a 85 hmotností Slnka. Podľa našich vedomostí by však výbuchy supernov nemali produkovať čierne diery s hmotnosťami medzi 65 a 120 hmotností Slnka. Predchodca supernovy by potom mal mať hmotnosť 130 až 200 slnečných hmotností, lenže takéto veľmi hmotné hviezdy končia svoj život procesom nazývaným párová nestabilita, pri ktorom je hviezda explóziou úplne zničená bez toho, aby zanechala po sebe nejaký kompaktný zvyšok. V prípade GW190521 teda minimálne čierna diera s hmotnosťou 85 slnečných hmotností (a možno aj tá druhá so 66 hmotnosťami Slnka) musela vzniknúť iným spôsobom – možno predchádzajúcim splynutím iných čiernych dier.
Hľadaný medzičlánok
Vznik čiernej diery s hmotnosťou 85-krát väčšou, ako má Slnko, nie je priamočiary a toto by mohlo poukazovať na prípad hierarchického splývania čiernych dier v hustom prostredí, napríklad vnútri guľových hviezdokôp, konštatuje odborník na guľové hviezdokopy Jay Strader (Michigan State University, USA). Ide nielen o prvý objav čiernej diery v tzv. medzere v hmotnostiach, ale tiež o prvú spoľahlivú detekciu čiernej diery s hmotnosťou nad 100 hmotností Slnka, konštatuje Luis Ho (Pekinská univerzita, Čína): Toto sú dlho hľadané semienka potrebné na tvorbu superhmotných čiernych dier. Čierne diery stredných hmotností vypĺňajú medzeru medzi čiernymi dierami vznikajúcimi po výbuchu supernov a superhmotnými čiernymi dierami v jadrách galaxií, ktoré môžu mať hmotnosť až milióny či miliardy hmotností nášho Slnka. Podľa správy The Astrophysical Journal Letters objekt GW190521 potvrdzuje, že čierne diery stredných hmotností môžu vzniknúť splynutím dvoch menej hmotných čiernych dier a môžu byť chýbajúcou spojnicou smerom k vzniku superhmotných čiernych dier. Jay Strader však upozorňuje, že vznik čiernych dier stredných hmotností hierarchickým splývaním menších čiernych dier nie je bezproblémový: podľa simulácií je totiž produkt splynutia vyhodený z hustého prostredia, kde sa úspešné splynutie uskutočnilo. Môj odhad je, že objekty podobné GW190521 nie sú spojené so vznikom superhmotných čiernych dier, ktoré zrejme potrebujú začínať svoj vznik s oveľa väčšou hmotnosťou alebo skôr rastom vďaka akrécii plynu než splývaním, tvrdí J. Strader.
Jenny Greeneová z Princetonu v USA súhlasí s tým, že všetky mechanizmy vzniku čiernych dier stredných hmotností sú možné. Je málo pravdepodobné, že by všetky čierne diery stredných hmotností mohli byť formované jediným procesom. Ak však dokážeme, že séria postupného splývania čiernych dier môže fungovať, naučíme sa niečo veľmi dôležité. Budúce detektory gravitačných vĺn, ako navrhovaný Einstein Telescope (Európa) a Cosmic Explorer (USA), budú schopné pozorovať aj splynutia čiernych dier s hmotnosťami medzi 200 až 1 000 hmotností Slnka, čo je niečo, čo LIGO ani Virgo nedokážu pre limitovanú frekvenciu vĺn, na ktorej pozorujú.
RNDr. Zdeněk Komárek
