A galaxisok közepén található óriási fekete lyukak körül elliptikus pályán mozgó, lapos, korongszerű gázfelhőkben található kisebb fekete lyukak biliárdgolyókként ütköznek egymással - olvasható az ELTE közleményében. Néhány évvel ezelőttig a fő informacióforrásunk az univerzumról a fény volt, amíg 2015-ben a LIGO először detektált gravitációs hullámokat egy feketelyuk-ütközésből. A Nature című folyóiratban megjelent kutatás is ezt a technológiát használta.
A kutatásban három magyar fizikus vett részt: Bartos Imre (Floridai Egyetem, az ELTE volt hallgatója), Haiman Zoltán (Columbia Egyetem, New York, korábban az ELTE Békésy György-ösztöndíjasa) és Kocsis Bence (Oxford Egyetem, az ELTE korábbi hallgatója és adjunktusa, jelenleg is külsős témavezetője).
Úgy pattognak, akár a biliárdgolyók
De miért meglepő, ha két fekete lyuk nem körpályán kering egymás körül? - teszik fel a kérdést. Haiman Zoltán szerint ez a gravitációs hullámok alapvető természetéből fakad. A sugárzó fekete lyukak pályája viszonylag gyorsan kör alakúvá válik a gravitációs hullámok miatt, jóval az összeütközésük előtt. Korábbi kutatási eredmények azt mutatták, hogy a nem kör alakú pályák nagyon ritkák. Ez felveti a kérdést: egy amúgy is kivételes feketelyuk-ütközés miért történhetett pont egy ilyen ellipszis alakú pályán?
A lehetséges válasz olyan galaxisok központjában rejlik, aminek a közepén egy óriási, a napnál több milliószor nehezebb fekete lyuk található, és ami körül örvénylik egy lapos, korong alakú gázfelhő. Kocsis Bence szerint ebben a korongban nagyon sok kisebb fekete lyuk is található, és ezek olyan nagy sebességgel mozognak, hogy a gravitációs kölcsönhatásuk révén a fekete lyukak biliárdgolyókhoz hasonlóan pattognak egymás között. Ilyen körülmények között kör alakú kettősök nem létezhetnek, szögezi le a szakember.
"Ilyen környezet kialakításához az óriás központi fekete lyuk jelenléte önmagában nem elegendő. ELTE-s doktoranduszokkal, Szölgyén Ákossal és Máthé Gergővel korábban azt találtuk, hogy a fekete lyukak súlyuknál fogva vastag korongba rendeződnek. De a gyakori ütközésekhez még vékonyabb struktúrára van szükség. Hiromichi Tagawával, az ELTE korábbi posztdoktori kutatójával megmutattuk, hogy azon galaxismagokban jöhetnek létre a szükséges feltételek, ahol található egy gázfelhő is. A gáz hatására ugyanis a fekete lyukak eloszlása szinte kétdimenzióssá válik, és befelé vándorolnak, majd a véletlen közeli elhaladások során, gázdisszipáció révén, a fekete lyukak szoros kettősöket formálhatnak. Ezen objektumok gyakran összetalálkoznak egy harmadik fekete lyukkal kaotikus táncot járva" - mondja Kocsis.
Mindez csak a kezdet
Az eddigi számítások azt feltételezték, hogy a fekete lyukak kölcsönhatása három dimenzióban történik, ami a legtöbb esetben igaz is, de ilyenkor többnyire körkörös kettősök keletkeznek. "Elkezdtünk azon gondolkodni, mi történne, ha a fekete lyukak egy lapos gázfelhőn belül tudnának csak mozogni, ami egy kétdimenziós környezetnek felel meg. Meglepetésünkre azt találtuk, hogy ebben az esetben a nem kör alakú pályák kialakulása drámaian megnő, akár 100-szorosára a háromdimenziós esethez képest. Ez az elmélet remekül illeszkedik a 2019-es megfigyeléshez, miszerint a GW190521 ütközés minden különleges tulajdonsága egyszerre magyarázható azzal, hogy egy lapos gázfelhőben történt a folyamat, egy távoli galaxis magjában, egy óriási fekete lyuk közelében" - részletezi Johan Samsing. A felfedezés hozzátesz a sok száz éves mechanikaproblémához is, a háromtestproblémához. Ez a folyamat is kritikus szerepet játszik abban, hogy a fekete lyukak hogyan ütköznek össze a világegyetem rejtett zugaiban.
A lapos gázfelhők elmélete az excentricitáson túl automatikusan megmagyarázza a GW190521 ütközés két másik meglepő tulajdonságát is. A nagy feketelyuk-tömeg annak az eredménye, hogy a sok kisebb fekete lyuk a gázfelhőbe zsúfolva többszörös ütközést szenved, minden ütközéssel tovább növelve a létrejövő fekete lyuk tömegét. Ezek az egymást követő ütközések a fekete lyukak forgását is felgyorsítják.
A kutatók szerint mindez csak a kezdet. "A kutatók régóta próbálják megérteni a sűrű, lapos gázfelhők tulajdonságait, de ez egy bonyolult probléma. Az eredmény nagyon függ a gázfelhők tulajdonságaitól, illetve attól is, hogy a fekete lyukak pontosan hogyan mozognak bennük. A GW190521 forráshoz hasonló feketelyuk-ütközések új módszert nyitnak a gázfelhők vizsgálatára. A kutatást tovább kell folytatni, ami további váratlan felfedezésekhez vezethet" - összegzi Haiman Zoltán.
