Jennifer Chu | MIT News Office,news.mit.edu
Indicii despre originile unei găuri negre pot fi găsite în modul în care se învârte. Acest lucru este valabil mai ales pentru binare, în care două găuri negre se strâng împreună înainte de fuzionare. Rotirea și înclinarea găurilor negre respective chiar înainte de a se îmbina pot dezvălui dacă giganții invizibili au apărut dintr-un disc galactic liniștit sau dintr-un grup mai dinamic de stele.
Astronomii speră să descopere care dintre aceste povești de origine este mai probabilă analizând cele 69 de binare confirmate detectate până în prezent. Dar un nou studiu constată că, deocamdată, catalogul actual de binare nu este suficient pentru a dezvălui nimic fundamental despre modul în care se formează găurile negre.
Într-un studiu apărut astăzi în jurnal Scrisori de astronomie și astrofizică, Fizicienii de la MIT arată că atunci când toate binarele cunoscute și spinurile lor sunt prelucrate în modele de formare a găurilor negre, concluziile pot arăta foarte diferite, în funcție de modelul particular utilizat pentru interpretarea datelor.
Originile unei găuri negre pot fi, prin urmare, „filate” în moduri diferite, în funcție de ipotezele unui model cu privire la modul în care funcționează universul.
„Când schimbați modelul și îl faceți mai flexibil sau faceți ipoteze diferite, obțineți un răspuns diferit despre modul în care s-au format găurile negre în univers”, spune coautorul studiului Sylvia Biscoveanu, un student absolvent al MIT care lucrează în Laboratorul LIGO. „Arătăm că oamenii trebuie să fie atenți, deoarece nu suntem încă la stadiul cu datele noastre în care să putem crede ce ne spune modelul.”
Co-autorii studiului includ Colm Talbot, un postdoc la MIT; și Salvatore Vitale, profesor asociat de fizică și membru al Institutului Kavli de Astrofizică și Cercetare Spațială de la MIT.
O poveste cu două origini
Se crede că găurile negre din sistemele binare apar pe una dintre cele două căi. Primul este prin „evoluția binară de câmp”, în care două stele evoluează împreună și în cele din urmă explodează în supernove, lăsând în urmă două găuri negre care continuă să se rotească într-un sistem binar. În acest scenariu, găurile negre ar trebui să aibă învârtiri relativ aliniate, deoarece ar fi avut timp – mai întâi ca stele, apoi găuri negre – să se tragă și să se tragă reciproc în orientări similare. Dacă găurile negre ale unui binar au aproximativ aceeași rotație, oamenii de știință cred că trebuie să fi evoluat într-un mediu relativ liniștit, cum ar fi un disc galactic.
Binarele găurilor negre se pot forma și prin „asamblare dinamică”, în care două găuri negre evoluează separat, fiecare având propria înclinare și rotire distincte. Prin unele procese astrofizice extreme, găurile negre sunt în cele din urmă reunite, suficient de aproape pentru a forma un sistem binar. O astfel de împerechere dinamică ar avea loc probabil nu într-un disc galactic liniștit, ci într-un mediu mai dens, cum ar fi un cluster globular, unde interacțiunea a mii de stele poate lovi două găuri negre. Dacă găurile negre ale unui binar au rotiri orientate aleatoriu, probabil că s-au format într-un cluster globular.
Dar ce fracțiune de binare se formează printr-un canal față de celălalt? Răspunsul, cred astronomii, ar trebui să se afle în date și, în special, în măsurătorile rotațiilor găurii negre.
Până în prezent, astronomii au derivat învârtirile găurilor negre în 69 de binare, care au fost descoperite de o rețea de detectoare de unde gravitaționale, inclusiv LIGO din SUA și omologul său italian Virgo. Fiecare detector ascultă semnele undelor gravitaționale – reverberații foarte subtile în spațiu-timp care sunt rămase de la evenimente extreme, astrofizice, cum ar fi fuziunea găurilor negre masive.
Cu fiecare detectare binară, astronomii au estimat proprietățile găurii negre respective, inclusiv masa și spinul acestora. Ei au prelucrat măsurătorile de spin într-un model general acceptat de formare a găurilor negre și au găsit semne că binarele ar putea avea atât un spin preferat, aliniat, cât și rotiri aleatorii. Adică, universul ar putea produce binare atât în discuri galactice, cât și în clustere globulare.
„Dar am vrut să știm, avem suficiente date pentru a face această distincție?” spune Biscoveanu. „Și se dovedește că lucrurile sunt dezordonate și incerte și este mai greu decât pare.”
Rotirea datelor
În noul lor studiu, echipa MIT a testat dacă aceleași date ar conduce la aceleași concluzii atunci când sunt lucrate în modele teoretice ușor diferite ale modului în care se formează găurile negre.
Echipa a reprodus pentru prima dată măsurătorile de spin LIGO într-un model utilizat pe scară largă de formare a găurilor negre. Acest model presupune că o fracțiune de binare din univers preferă să producă găuri negre cu rotiri aliniate, unde restul binarelor au rotiri aleatorii. Ei au descoperit că datele păreau să fie de acord cu ipotezele acestui model și au arătat un vârf în care modelul a prezis că ar trebui să existe mai multe găuri negre cu rotiri similare.
Apoi au modificat ușor modelul, modificându-și ipotezele astfel încât a prezis o orientare ușor diferită a învârtirilor preferate ale găurii negre. Când au folosit aceleași date în acest model modificat, au descoperit că datele s-au mutat pentru a se alinia cu noile predicții. Datele au făcut, de asemenea, schimbări similare în alte 10 modele, fiecare cu o ipoteză diferită a modului în care găurile negre preferă să se învârtească.
„Lucrarea noastră arată că rezultatul tău depinde în întregime de modul în care îți modelezi astrofizica, mai degrabă decât de datele în sine”, spune Biscoveanu.
„Avem nevoie de mai multe date decât am crezut, dacă vrem să facem o afirmație care este independentă de ipotezele astrofizice pe care le facem”, adaugă Vitale.
De câte date vor avea nevoie astronomii? Vitale estimează că, odată ce rețeaua LIGO va reporni la începutul anului 2023, instrumentele vor detecta o nouă gaură neagră binară la fiecare câteva zile. Pe parcursul anului următor, aceasta ar putea adăuga până la sute de măsurători suplimentare pentru a adăuga la date.
„Măsurătorile rotirilor pe care le avem acum sunt foarte incerte”, spune Vitale. „Dar pe măsură ce le construim o mulțime, putem obține informații mai bune. Apoi putem spune că indiferent de detaliul modelului meu, datele îmi spun întotdeauna aceeași poveste – o poveste în care am putea apoi să o credem.”
Această cercetare a fost susținută parțial de Fundația Națională pentru Știință.