Nauka dla Społeczeństwa

29.03.2024
PL EN
07.11.2021 aktualizacja 07.11.2021

Czarne dziury rosną razem z Wszechświatem

Fot. Adobe Stock Fot. Adobe Stock

Kosmolodzy twierdzą, że w miarę jak Wszechświat się rozszerza, czarne dziury zwiększają swoją masę. Teoria może tłumaczyć dlaczego, wiele z tych obiektów, jest tak dużych.

Od sześciu lat, dzięki obserwacji fal grawitacyjnych z pomocą instrumentu LIGO-Virgo, naukowcy mogą wykrywać zderzenia czarnych dziur i m.in. sprawdzać postulaty teorii Einsteina.

Jednak w trakcie tych badań pojawił się problem - wiele czarnych dziur okazało się zaskakująco masywnych. Spodziewano się, że większość tych tajemniczych obiektów będzie miała masę mniejszą niż 40 mas słońca. To dlatego, że powstają one z masywnych gwiazd, które nie mogą utrzymać swojej struktury, jeśli są zbyt duże.

Wiele obserwacji wskazało jednak na istnienie czarnych dziur o masie ponad 50 mas Słońca, a nawet 100 razy od niego cięższych.

Badacze z University of Chicago i University of Michigan w Ann Arbor proponują rozwiązanie - teorię, która łączy zachowanie czarnych dziur z ekspansją Wszechświata.

Zwykle astronomowie tworzą modele czarnych dziur w statycznym Wszechświecie, który się nie rozszerza. „To założenie, które upraszcza równania Einsteina, ponieważ we Wszechświecie, który nie rośnie, można uwzględniać dużo mniej elementów - wyjaśnia prof. Kevin Croker, jeden z autorów publikacji, która ukazała się na łamach „Astrophysical Journal Letters”. - Jednak to pewien kompromis - wnioski mogą być sensowne tylko w odniesieniu do ograniczonego czasu” - podkreśla.

Tymczasem od uformowania czarnych dziur do momentu ich zderzenia obserwowanego potem na Ziemi mogą minąć miliardy lat. W tym czasie Wszechświat ogromnie się rozszerza.

Jeśli uwzględni się subtelne efekty przewidywane przez teorię Einsteina - tłumaczą badacze - to okazuje się, że z rozszerzaniem się Wszechświata może być skorelowany wzrost masy czarnych dziur. W podobny sposób powiązana jest z nim energia światła, która maleje wraz ze wzrostem Wszechświata. Naukowcy nazywają to sparowaniem.

„Pomyśleliśmy, aby wziąć pod uwagę efekt odwrotny - mówi jeden z badaczy, prof. Duncan Farrah. - Co instrument LIGO-Virgo mógłby dostrzec, jeśli czarne dziury byłyby kosmologicznie sparowane i zyskiwałyby energię bez potrzeby pochłaniania innych gwiazd czy gazu?” - opowiada.

Aby tę hipotezę sprawdzić, stworzyli symulację narodzin, życia i śmierci milionów par dużych gwiazd. Każdą parę, w której obie lub jedna gwiazda zmieniła się w czarną dziurę, porównali do wielkości Wszechświata. W miarę, jak się rozszerzał, masa czarnych dziur rosła. Obserwacje dokonane przez LIGO-Virgo w dużym stopniu zgadzają się z tymi przewidywaniami.

„Muszę powiedzieć, że na początku nie wiedziałem, co myśleć. To taki prosty pomysł. Byłem zaskoczony, że tak dobrze się sprawdził” - mówi prof. Gregory Tarlé, jeden z autorów odkrycia.

Co istotne, nowy model nie wymaga żadnych zmian w obecnym rozumieniu powstawania, ewolucji i śmierci gwiazd.

Mimo wszystko badacze podkreślają, że tajemnica obserwowanych masywnych czarnych dziur nie jest jeszcze rozwiązana. „Wiele elementów łączenia się czarnych dziur nie jest do końca zrozumianych. Dotyczy to na przykład najważniejszych środowisk, w których powstają i podstawowych procesów fizycznych działających w trakcie ich życia” - wyjaśnia jeden z autorów, dr Michael Zevin.

„Podczas gdy posłużyliśmy się symulacją populacji gwiazd odzwierciadlającą dane, którymi dysponujemy, pozostaje wiele miejsca na domysły. Widzimy, że kosmologiczne sparowanie to użyteczna idea, ale nie potrafimy jeszcze zmierzyć jego siły” - dodaje.

Prawdopodobnie wiele będą mogły powiedzieć przyszłe badania.

„Obserwacje fal grawitacyjnych będą w nadchodzącej dekadzie stawać się coraz dokładniejsze. Wzrost jakości i ilości danych doprowadzi do nowych technik analitycznych. Niedługo będziemy mogli dokonać odpowiednich pomiarów” - twierdzi współautor odkrycia, prof. Kurtis Nishimura.

Więcej informacji:

https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac2fad

Marek Matacz

mat/ ekr/

Przed dodaniem komentarza prosimy o zapoznanie z Regulaminem forum serwisu Nauka w Polsce.

Copyright © Fundacja PAP 2024