Νέα έρευνα δείχνει ότι τα βαρυτικά κύματα μπορούν να χρησιμεύσουν ως «κοσμικό τεστ DNA» για τις μαύρες τρύπες, αποκαλύπτοντας την καταγωγή τους μέσω των περιστροφών τους ή «σπινών».
Η μελέτη αναδεικνύει τον τρόπο με τον οποίο η περιστροφή αυτών των υπερμεγέθων μαύρων τρυπών μπορεί να φανερώσει την περιοχή του διαστήματος όπου γεννήθηκαν.
Ομάδα επιστημόνων, υπό την ηγεσία ερευνητών από το Πανεπιστήμιο του Κάρντιφ, ανακάλυψε ότι η καταγωγή αυτών των μαύρων τρυπών μπορεί να κρύβεται στις περιστροφές τους. Ειδικότερα, τα μοτίβα σπινών αυτών των μαύρων τρυπών θα μπορούσαν να αποκαλύψουν την περιοχή του διαστήματος από την οποία προέρχονται.
Σύμφωνα με την ερευνήτρια του Πανεπιστημίου του Κέιμπριτζ, Isobel Romero-Shaw, η ομάδα της αναφέρει: «Η μελέτη μας μας δίνει έναν ισχυρό, δεδομένα-καθοδηγούμενο τρόπο για να εντοπίσουμε τις ρίζες της ιστορίας σχηματισμού μιας μαύρης τρύπας, δείχνοντας ότι ο τρόπος με τον οποίο περιστρέφεται είναι ένας ισχυρός δείκτης για το ότι ανήκει σε μια ομάδα μαύρων τρυπών μεγάλης μάζας, οι οποίες σχηματίζονται σε πυκνές συστάδες αστεριών, όπου μικρές μαύρες τρύπες συγκρούονται επανειλημμένα και συγχωνεύονται μεταξύ τους».
Δέντρο οικογένειας μαύρων τρυπών
Η καταγωγή των μαύρων τρυπών έγινε ένα ενδιαφέρον ζήτημα για τους επιστήμονες όταν ανακάλυψαν ότι κάποιες μαύρες τρύπες είναι πολύ μεγάλες για να έχουν σχηματιστεί με τον συνήθη τρόπο, δηλαδή από έναν πεθαμένο αστέρα.
Οι αστέρες με μάζες 10 έως 100 φορές μεγαλύτερες από αυτή του ήλιου καταρρέουν κάτω από τη βαρύτητά τους όταν εξαντλούνται τα καύσιμα πυρηνικής σύντηξης στους πυρήνες τους και σχηματίζουν μαύρες τρύπες. Ωστόσο, οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες, οι οποίες έχουν μάζες εκατομμυρίων ή και δισεκατομμυρίων φορές τη μάζα του ήλιου, δεν μπορούν να σχηματιστούν από έναν μόνο αστέρα. Αντίθετα, σχηματίζονται από συγχωνεύσεις μικρότερων μαύρων τρυπών.
Η πρώτη ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων από συγχώνευση μαύρων τρυπών έγινε το 2015 από τα παρατηρητήρια LIGO και Virgo, 100 χρόνια μετά την πρόβλεψή τους από τον Αϊνστάιν στη θεωρία της γενικής σχετικότητας. Αυτή και η πληθώρα συγχωνεύσεων που καταγράφηκαν από αυτά τα παρατηρητήρια ενίσχυσαν τη θεωρία της «ανάπτυξης μέσω συγχώνευσης».
Η γενική σχετικότητα προβλέπει ότι τα αντικείμενα με μάζα προκαλούν «καμπύλωση» στο χωροχρόνο και αυτή η καμπύλωση είναι η πηγή της βαρύτητας.
Η διαδικασία συγχώνευσης και τα βαρυτικά κύματα
Όταν δύο μαύρες τρύπες πλησιάζουν η μία την άλλη, σχηματίζουν ένα σύστημα δυαδικό και η συνεχής επιτάχυνση αυτού του συστήματος (η οποία συμβαδίζει με την κυκλική κίνηση τους) προκαλεί την εκπομπή βαρυτικών κυμάτων. Αυτά τα κύματα, που μεταφέρονται με την ταχύτητα του φωτός, φέρουν μακριά την γωνιακή ορμή του συστήματος, κάνοντάς το να πλησιάζει όλο και περισσότερο μέχρι τη συγχώνευση.
Όταν συμβαίνει αυτή η συγχώνευση, δημιουργείται μια νέα μαύρη τρύπα με μεγαλύτερη μάζα από τις προηγούμενες, αν και η συνολική μάζα δεν ισούται με το άθροισμα των γονικών μαζών λόγω της απώλειας μάζας κατά τη διάρκεια των βαρυτικών κυμάτων υψηλής συχνότητας.
Ο ηγέτης της ομάδας, Fabio Antonini από το Πανεπιστήμιο του Κάρντιφ, αναφέρει: «Καθώς παρατηρούμε περισσότερες συγχωνεύσεις μαύρων τρυπών με ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων όπως το LIGO και το Virgo, γίνεται ολοένα πιο ξεκάθαρο ότι οι μαύρες τρύπες εμφανίζουν ποικιλία στη μάζα και την περιστροφή τους, κάτι που υποδηλώνει ότι μπορεί να έχουν σχηματιστεί με διάφορους τρόπους.»
Η ομάδα της έρευνας, αναλύοντας δεδομένα από 69 βαρυτικά κύματα που καταγράφηκαν από το LIGO και το Virgo, εντόπισε ότι η περιστροφή μιας μαύρης τρύπας αλλάζει όταν φτάνει σε μια συγκεκριμένη μάζα. Αυτή η αλλαγή δείχνει μια ξεκάθαρη μάζα-ορόσημο, πέρα από την οποία η περιστροφή της μαύρης τρύπας μεταβάλλεται συνεχώς.
Με τα αποτελέσματα αυτά, οι επιστήμονες θα μπορούν να βελτιώσουν τα υπολογιστικά μοντέλα για τον σχηματισμό και την ανάπτυξη των μαύρων τρυπών.
Μέλλον και προοπτικές
Μελλοντικές ανιχνεύσεις βαρυτικών κυμάτων από παρατηρητήρια όπως το LIGO, το Virgo, το προτεινόμενο υπόγειο παρατηρητήριο βαρυτικών κυμάτων Einstein Telescope, καθώς και το μελλοντικό διαστημικό παρατηρητήριο LISA, θα επιτρέψουν την καλύτερη ερμηνεία αυτών των σημάτων με τη βοήθεια των νέων μοντέλων.
Η συνεργασία με άλλους ερευνητές και η χρήση προηγμένων στατιστικών μεθόδων θα βοηθήσουν στη διεύρυνση και επιβεβαίωση των ευρημάτων, ειδικά με την πρόοδο των επόμενων γενεών ανιχνευτών.
Ο Thomas Callister από το Πανεπιστήμιο του Σικάγο δήλωσε: «Η συνεργασία με άλλους ερευνητές και η χρήση προηγμένων στατιστικών μεθόδων θα βοηθήσουν στην επιβεβαίωση και επέκταση των ευρημάτων μας, ειδικά καθώς προχωράμε προς τους ανιχνευτές επόμενης γενιάς».
«Το τηλεσκόπιο του Αϊνστάιν, για παράδειγμα, θα μπορούσε να ανιχνεύσει ακόμη πιο ογκώδεις μαύρες τρύπες και να παρέχει πρωτοφανείς γνώσεις για την προέλευσή τους».
Η έρευνα δημοσιεύτηκε στις 7 Ιανουαρίου στο περιοδικό Physical Review Letters.