Czarne dziury powstałe w wyniku fuzji przenoszą informacje o swoich przodkach

Naukowcy sugerują, że supermasywne czarne dziury, powstające najczęściej poprzez fuzję mniejszych obiektów tego typu mogą zachowywać w sobie informacje o swoich przodkach.

Czarne dziury powstałe w wyniku fuzji

.Astronomowie uważają, że w sercu większości, jeśli nie wszystkich, galaktyk znajdują się supermasywne czarne dziury o masie miliony, a nawet miliardy razy większej niż masa Słońca. Te niezwykle gęste obiekty nie mogą powstać bezpośrednio w wyniku zapadnięcia się masywnej gwiazdy, jak ma to miejsce w przypadku gwiezdnych czarnych dziur o masie dziesiątki razy większej niż masa Słońca, ponieważ żadna gwiazda nie jest wystarczająco duża, aby zrodzić tak ogromną strukturę.

Zdaniem badaczy oznacza to, że muszą istnieć procesy, dzięki którym czarne dziury mogą rosnąć do tak ogromnych mas. Podczas gdy zużycie gazu i pyłu, a nawet gwiazd wokół nich może ułatwić ten proces, szybszą drogą do gromadzenia masy jest kolejne łączenie się coraz większych czarnych dziur.

Naukowcy Imra Bartosa i Oscar Barrera z University of Florida w badaniu opublikowanym w Astroparticle Physics, przeanalizowali, w jaki sposób niektóre „potomne” czarne dziury powstałe w wyniku fuzji mogą przenosić informacje o „macierzystych” obiektach, które są wynikiem połączenia niezwykle gęstych obiektów.

„Odkryliśmy, że czarne dziury, które rodzą się w wyniku zderzenia innych czarnych dziur, niosą ze sobą informacje o właściwościach swoich przodków, w tym o ich spinie (tempo obrotu), a także o masie. Kluczowym nowym celem naszych badań była rekonstrukcja spinów pierwotnych czarnych dziur, w oparciu o wcześniejsze prace, które koncentrowały się na ich masach” – mówi Bartos.

Pamięć o przodkach

.Jak podkreślają astronomowie, czarne dziury mają bardzo niewiele cech, które można wykorzystać do ich rozróżnienia, posiadając jedynie zmiany masy, momentu pędu lub spinu oraz ładunku elektrycznego. Fizyk teoretyczny John Wheeler z Princeton University opisał to twierdząc, że „czarne dziury nie mają włosów” – czyli cech szczególnych. Bartos dodaje, że nawet w obliczu tych kilku właściwości i „twierdzenia o braku włosów”, nadal możliwe jest wykorzystanie spinu czarnej dziury do odkrycia szczegółów dotyczących jej pochodzenia.

„Na przykład, czarne dziury zasilane przez otaczający gaz lub wcześniejsze zderzenia macierzystych obiektów mogą skutkować wysokim spinem, podczas gdy przy narodzinach poprzez śmierć i zapadanie się gwiazd, czarne dziury często mają niski spin” – tłumaczy Bartos.

Astronomowie wykorzystali technikę matematyczną zwaną wnioskowaniem bayesowskim (metoda wnioskowania statystycznego, w której korzysta się z twierdzenia Bayesa do aktualizowania prawdopodobieństwa subiektywnego hipotez w oparciu o dotychczasowe prawdopodobieństwo oraz nowe dane), przyjmując zmierzone właściwości czarnych dziur i ich wcześniejsze oczekiwania jako dane wejściowe i wyprowadzając wnioskowane rozkłady pierwotnych właściwości obiektów. Fizycy wykorzystują maleńkie zmarszczki w czasoprzestrzeni zwane falami grawitacyjnymi, aby dowiedzieć się więcej o zderzeniach i fuzjach czarnych dziur.

„Ostatnie obserwacje fuzji czarnych dziur wskazują na możliwość, że nie jest to rzadkie zjawisko, a wiele z nich łączy się kolejno, tworząc coraz cięższe obiekty, które mogą być powszechne we Wszechświecie. Nasuwa się pytanie, w jaki sposób możemy poznać właściwości przodków czarnych dziur na podstawie pomiarów najnowszej generacji. Fascynuje mnie detektywistyczna historia odkrywania tego, co stało się z tymi czarnymi dziurami w przeszłości i znajdowania tam odcisków palców ich przodków” – podsumowuje Bartos.

Z gwiazd powstaliśmy, w gwiazdy się obrócimy

.Członek Polskiego Towarzystwa Astronomicznego, Piotr KOŁACZEK-SZYMAŃSKI, na łamach „Wszystko co Najważniejsze” twierdzi, że: „Pod koniec swojego życia gwiazda wykonuje gwałtowne oscylacje. W skali setek lub tysięcy lat doznaje gwałtownych rozprężeń, staje się wyraźnie większa i chłodniejsza, a następnie się kurczy. Jej powierzchniowe obszary są przyciągane zbyt słabo i „odlatują” od niej. Rozpad następuje warstwowo. Trwa to przez tysiące lat. Jedyne, co pozostaje, to jądro, biały karzeł złożony z węgla i tlenu, otoczony przez gaz, który powstaje w procesie odpadania warstw”.

„Mniejsze gwiazdy kończą swój żywot na etapie spalania węgla i tlenu. Gwiazdy masywniejsze są tak ciężkie, że w pozostających z nich białych karłach dochodzi do takiego wzrostu temperatury, że nawet tlen i węgiel spalają się i przechodzą w kolejne pierwiastki. Gwiazda staje się czerwonym nadolbrzymem. Na samym końcu tego procesu, bezpośrednio przed eksplozją supernowej, w jej jądrze pojawia się żelazo. Od tego momentu gwiazda nie może generować więcej energii. Po raz kolejny dochodzi do stanu krytycznego w jej życiu – zaczyna się rozpadać”.

„W pewnym momencie w jądrze robi się tak gęsto, że nawet elektrony pełzające wokół atomów żelaza nie mogą już dłużej tego robić. Zaczyna się proces neutronizacji materii. Elektrony wnikają w jądro atomów i zamieniają protony w neutrony. Żelazo zostaje zniszczone – powstaje gwiazda neutronowa”.

„Jądro gwiazdy neutronowej kurczy się i jednocześnie staje się sprężyste. Odbija się od zewnętrznej materii gwiazdy jak piłka. Powoduje to powstanie dużej fali uderzeniowej. Napór materii z zewnątrz jest tak duży, że powoduje zatrzymanie fali uderzeniowej w miejscu, w wyniku czego gwiazda zaczyna się niebywale rozgrzewać. Wskutek tego wybuchowego, deflagracyjnego spalania się powstaje duża część układu okresowego pierwiastków. Materia po śmierci gwiazdy, składająca się z pierwiastków ciężkich, może zasilić nowo powstające gwiazdy i planety”.

„Pierwiastki, z których się składamy, na przykład węgiel, azot i tlen, powstają dzięki śmierci mało masywnych gwiazd, jak nasze Słońce. W wyniku eksplozji supernowej powstaje tlen. Nasze ukochane złoto i srebro są efektem procesu jeszcze rzadszego – „zlania się” dwóch gwiazd neutronowych. Każdy atom węgla, tlenu i azotu w naszym ciele – kiedyś był obecny we wnętrzu gwiazdy. Bez nich nie moglibyśmy zaistnieć. Nasze życie powstało za sprawą gwiazd” – pisze Piotr KOŁACZEK-SZYMAŃSKI w tekście „Z gwiazd powstaliśmy, w gwiazdy się obrócimy„.

Oprac. EG