Βαρυτικά κύματα αποκάλυψαν το μυστικό πίσω από τις κοσμικές μαύρες τρύπες

Μαύρες τρύπες με τεράστια μάζα φαίνεται πως σχηματίζονται σε εξαιρετικά πυκνά αστρικά περιβάλλοντα, γνωστά ως σφαιρωτά σμήνη, σύμφωνα με νέα επιστημονική έρευνα. Σε αυτά τα σμήνη, οι βίαιες συγκρούσεις μεταξύ άστρων είναι συχνές, υποδεικνύοντας μια χαοτική και απρόβλεπτη προέλευση για τους κοσμικούς αυτούς «τιτάνες» του σύμπαντος.

Οι επιστήμονες εντόπισαν αυτό το πιθανό «γενέθλιο περιβάλλον» των πιο ογκωδών μαύρων τρυπών, αναλύοντας βαρυτικά κύματα — τις κυματώσεις στον χωροχρόνο που προκαλούνται από κοσμικά φαινόμενα μεγάλης ισχύος. Τα κύματα αυτά ανιχνεύθηκαν στη Γη μέσω των εξαιρετικά ευαίσθητων ανιχνευτών LIGO, KAGRA και Virgo, οι οποίοι αποτελούν το παγκόσμιο δίκτυο παρατηρητηρίων βαρυτικών κυμάτων.

Η ύπαρξη των βαρυτικών κυμάτων είχε προβλεφθεί ήδη από τον Άλμπερτ Αϊνστάιν το 1915, στο πλαίσιο της θεωρίας της γενικής σχετικότητας. Αυτά τα κύματα παράγονται όταν συμβαίνουν γεγονότα όπως η σύγκρουση και η συγχώνευση μαύρων τρυπών, τα οποία «ταρακουνούν» τον ιστό του ίδιου του χωροχρόνου.

Η ανάλυση των κοσμικών συγχωνεύσεων

Η ερευνητική ομάδα ανέλυσε 153 ανιχνεύσεις συγχωνεύσεων μαύρων τρυπών από τον κατάλογο LIGO–Virgo–KAGRA (GWTC4). Στόχος τους ήταν να διαπιστώσουν αν οι πιο βαριές μαύρες τρύπες σχηματίζονται μέσω διαδοχικών συγχωνεύσεων μικρότερων τρυπών σε πυκνά αστρικά περιβάλλοντα, αντί να προκύπτουν απευθείας από την κατάρρευση τεράστιων άστρων.

«Η αστρονομία των βαρυτικών κυμάτων δεν περιορίζεται πλέον στην καταμέτρηση συγχωνεύσεων μαύρων τρυπών», δήλωσε ο επικεφαλής της ομάδας, Fabio Antonini, από το Πανεπιστήμιο Cardiff. «Αρχίζει να αποκαλύπτει πώς μεγαλώνουν οι μαύρες τρύπες, πού σχηματίζονται και τι μας λένε για τη ζωή και τον θάνατο των μαζικών άστρων».

Δύο πληθυσμοί μαύρων τρυπών

Η έρευνα αποκάλυψε δύο διακριτούς πληθυσμούς μαύρων τρυπών. Ο πρώτος αφορά χαμηλότερης μάζας αντικείμενα που σχηματίστηκαν μετά τον θάνατο τεράστιων άστρων σε εκρήξεις υπερκαινοφανών. Ο δεύτερος πληθυσμός αποτελείται από μαύρες τρύπες με ιδιότητες που δείχνουν ότι προήλθαν από αλλεπάλληλες συγχωνεύσεις μέσα σε πυκνά σμήνη άστρων.

Η ερευνήτρια Isobel Romero-Shaw από το ίδιο πανεπιστήμιο σημείωσε: «Αυτό που μας εξέπληξε περισσότερο ήταν πόσο καθαρά ξεχωρίζει ο πληθυσμός των μαύρων τρυπών μεγάλης μάζας». Όπως εξήγησε, οι ταχύτερες περιστροφές και οι τυχαίες κατευθύνσεις τους αποτελούν ένδειξη επαναλαμβανόμενων συγχωνεύσεων σε σφαιρωτά σμήνη.

Το μυστηριώδες “κενό μάζας”

Τα αποτελέσματα ενισχύουν την υπόθεση ύπαρξης ενός «κενού μάζας» στα αστρικά κατάλοιπα. Δηλαδή, ότι τα πιο ογκώδη άστρα δεν καταλήγουν σε μαύρες τρύπες, αλλά καταστρέφονται ολοκληρωτικά σε εκρήξεις υπερκαινοφανών. Αυτό δημιουργεί ένα απαγορευμένο εύρος μάζας για μαύρες τρύπες που προέρχονται από την κατάρρευση άστρων.

Σύμφωνα με την ομάδα, το όριο αυτού του «κενού» ξεκινά περίπου από 45 ηλιακές μάζες. Μαύρες τρύπες με μεγαλύτερη μάζα εκτιμάται ότι σχηματίζονται από συγχωνεύσεις μικρότερων αντικειμένων.

Ο Antonini εξηγεί: «Τα ευρήματα δείχνουν την ύπαρξη του θεωρητικά προβλεπόμενου κενού μάζας λόγω αστάθειας ζεύγους. Το ερώτημα τώρα είναι αν οι μαύρες τρύπες που εντοπίζουμε σε αυτό το εύρος δείχνουν ότι τα μοντέλα εξέλιξης των άστρων είναι λανθασμένα ή αν σχηματίζονται με διαφορετικό τρόπο».

Νέο φως στη γέννηση των κοσμικών γιγάντων

Τα συμπεράσματα της μελέτης ρίχνουν φως στις τελευταίες στιγμές ζωής των πιο τεράστιων άστρων και στη συμπεριφορά τους μέσα σε περιοχές με πυκνότητα εκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από εκείνη του περιβάλλοντος του Ήλιου.

«Οι μεγαλύτερες μαύρες τρύπες φαίνεται να μας μιλούν περισσότερο για τη δυναμική των σμηνών παρά για την εξέλιξη των άστρων», πρόσθεσε ο Antonini. «Πάνω από τις 45 ηλιακές μάζες, η κατανομή της περιστροφής αλλάζει με τρόπο που εξηγείται φυσικά αν αυτές οι μαύρες τρύπες έχουν ήδη περάσει από προηγούμενες συγχωνεύσεις».

Η έρευνα δημοσιεύθηκε στο επιστημονικό περιοδικό Nature Astronomy.