V januári 2016 vedci z Gravitačného vlnového observatória laserových interferónov (LIGO) urobili históriu, keď oznámili vôbec prvú detekciu gravitačných vĺn. LIGO, podporované Národnou vedeckou nadáciou (NSF) a prevádzkované spoločnosťami Caltech a MIT, sa venuje štúdiu vĺn predpovedaných Einsteinovou teóriou všeobecnej relativity a spôsobených fúziami čiernych dier.
Podľa novej štúdie tímu astronómov z Kozmologického centra na Kalifornskej univerzite v Irvine sú takéto zlúčenia oveľa bežnejšie, ako sme si mysleli. Po vykonaní prieskumu vo vesmíre, ktorý mal počítať a kategorizovať čierne diery, tím UCI zistil, že v galaxii by mohlo byť až 100 miliónov čiernych dier, čo má významný vplyv na štúdium gravitačných vĺn.
Štúdia, ktorá podrobne popisuje ich zistenia s názvom „Počítanie čiernych diery: Kozmická zvyšková hviezdna populácia a implikácie pre LIGO“, sa nedávno objavila v Mesačné oznámenia Kráľovskej astronomickej spoločnosti. Pod vedením Olivera D. Elberta, postdoktorandského štúdia na Katedre fyziky a astronómie na UC Irvine, tím vykonal analýzu gravitačných vlnových signálov, ktoré boli detekované LIGO.
Štúdia sa začala zhruba pred rokom a pol, krátko potom, čo LIGO oznámilo prvé odhalenie gravitačných vĺn. Tieto vlny boli vytvorené zlúčením dvoch vzdialených čiernych dier, z ktorých každá bola hmotnostne ekvivalentná asi 30 Slnkom. Ako uviedol v tlačovej správe UCI James James Bullock, profesor fyziky a astronómie na UC Irvine a spoluautor na papieri:
„Detekcia gravitačných vĺn bola v zásade obrovským problémom, pretože to bolo potvrdenie kľúčovej predikcie Einsteinovej všeobecnej teórie relativity. Potom sme sa však bližšie zaoberali astrofyzikou skutočného výsledku, zlúčením dvoch čiernych dier s hmotnosťou 30 slnečných hmôt. Bolo to jednoducho ohromujúce a prinútilo nás sa pýtať: „Ako časté sú čierne diery tejto veľkosti a ako často sa spájajú?“ “
Astronómovia sa už tradične domnievajú, že čierne diery by mali mať približne rovnakú hmotnosť ako naše Slnko. Snažili sa interpretovať viacnásobné gravitačné vlnové detekcie, ktoré uskutočnilo LIGO, z hľadiska toho, čo je známe o formovaní galaxií. Okrem toho sa tiež snažili vytvoriť rámec na predpovedanie budúcich fúzií čiernych dier.
Z toho vyvodili záver, že galaxia Mliečna dráha bude domovom až 100 miliónov čiernych dier, z ktorých 10 miliónov by malo mať odhadovanú hmotnosť asi 30 slnečných hmôt - tj podobné tým, ktoré sa zlúčili a vytvorili prvé gravitačné vlny zistené pomocou LIGO v roku 2016. Medzitým by trpasličí galaxie - ako napríklad trpaslík Draco, ktorý obieha vo vzdialenosti asi 250 000 ly od stredu našej galaxie - boli hostiteľmi asi 100 čiernych dier.
Ďalej určili, že dnes väčšina čiernych dier s nízkou hmotnosťou (~ 10 Slnečných hmôt) sídli v galaxiách 1 bilión Slnečných hmôt (masívne galaxie), zatiaľ čo masívne čierne diery (~ 50 Slnečných hmôt) sa nachádzajú v galaxiách, ktoré majú asi 10 miliárd slnečných hmôt. (tj trpasličí galaxie). Po zvážení vzťahu medzi hmotnosťou galaxie a hviezdnou metalizáciou interpretovali počet čiernych dier galaxie ako funkciu jej hviezdnej hmoty.
Okrem toho sa tiež snažili určiť, ako často sa čierne diery vyskytujú v pároch, ako často sa zlúčia a ako dlho to bude trvať. Z ich analýzy vyplynulo, že do fúzií by bolo potrebné zapojiť len nepatrný zlomok čiernych dier, aby sa vyhovelo tomu, čo LIGO pozoroval. Poskytla tiež predpovede, ktoré ukázali, ako by sa mohli v budúcom desaťročí zlúčiť ešte väčšie čierne diery.
Ako Manoj Kaplinghat, profesor fyziky a astronómie UCI a druhý spoluautor štúdie, vysvetlil:
„Ukazujeme, že iba 0,1 až 1 percento vytvorených čiernych dier sa musí zlúčiť, aby vysvetlilo, čo LIGO videl. Čierne diery sa musia samozrejme priblížiť dostatočne blízko, aby sa zlúčili v primeranom čase, čo je otvorený problém ... Ak sú súčasné predstavy o hviezdnom vývoji správne, potom z našich výpočtov vyplýva, že zlúčením čiernych dier s hmotnosťou 50 solárnych hmôt dôjde k byť odhalený o niekoľko rokov. “
Inými slovami, naša galaxia by sa mohla hemžiť čiernymi dierami a pravidelne by mohlo dochádzať k fúziám (v porovnaní s kozmologickými harmonogramami). Preto môžeme očakávať, že v najbližších rokoch bude možné zistiť oveľa viac gravitačných vĺn. To by nemalo byť prekvapením, pretože LIGO od zimy 2016 urobil ďalšie dve detekcie.
S mnohými ďalšími, ktoré sa očakávajú, budú mať astronómovia veľa príležitostí študovať fúzie čiernych dier, nehovoriac o fyzike, ktorá ich poháňa!
