Užfiksavo neįmanomą blyksnį: juodųjų skylių susidūrimas apstulbino mokslininkus

Trumpas gama ir rentgeno spindulių blyksnis, 2024 m. lapkritį užfiksuotas Žemės teleskopais, galėjo kilti iš visai netikėto šaltinio.

Vos keliomis sekundėmis anksčiau iš to paties mažo dangaus regiono detektorių tinklas „LIGO-Virgo-KAGRA“ užregistravo būdingą gravitacinių bangų signalą, rodantį dviejų juodųjų skylių susidūrimą. Tokie įvykiai laikomi vienais ekstremaliausių Visatoje, tačiau paprastai nesitikima, kad jie sukels aptinkamos šviesos pliūpsnį.

Astronomo Shu-Rui Zhango vadovaujama komanda iš Kinijos Mokslo ir technologijos universiteto šį neįprastą sutapimą sieja su dar neįprastesnėmis aplinkybėmis. Tyrėjų teigimu, susidūrimas galėjo įvykti milžiniškame, įkaitusiame dulkių ir dujų diske, supančiame trečią – supermasyvią – juodąją skylę, esančią galaktikos aktyviajame branduolyje (AGN).

Nors iš daugiau nei 4,2 mlrd. šviesmečių atstumo tai patvirtinti sudėtinga, abu aptikimai leidžia manyti, kad tam tikromis sąlygomis juodųjų skylių susiliejimą gali lydėti ir šviesos blyksnis.

„Mūsų modelis turi prognozuojamąją galią. Pabrėžiame, kaip svarbu tiksliau nustatyti susijungimo orbitos ekscentricitetą ir atlikti giliuosius priimančiosios galaktikos stebėjimus, kad būtų galima patikrinti mūsų paaiškinimą“, – rašo tyrėjai.

Nuo pirmojo gravitacinių bangų stebėjimo 2015 m. tokių signalų katalogas išaugo iki šimtų. Nors ne visi aptikti įvykiai iki galo išanalizuoti ar patvirtinti, manoma, kad didžioji jų dalis kyla būtent iš dviejų juodųjų skylių susidūrimų – pačių tankiausių žinomų objektų Visatoje.

Daugelis šių susidūrimų buvo visiškai „tamsūs“. Mokslininkai ne kartą bandė rasti šviesinį atitikmenį, tačiau turimi duomenys rodo, kad susijungus mažesnėms juodosioms skylėms ir susiformavus didesnei, bet kokie „fejerverkai“, jei ir vyksta, greičiausiai lieka už įvykių horizonto.

2024 m. lapkričio 25 d. gravitacinių bangų įvykis, pavadintas S241125n, išsiskyrė. Signalas buvo užfiksuotas visame pasaulyje išsidėsčiusiais „LIGO-Virgo-KAGRA“ detektoriais ir nurodė juodųjų skylių susiliejimą maždaug už 4,2 mlrd. šviesmečių. Skaičiavimai rodo, kad susiformavęs objektas siekė apie 150 Saulės masių.

Praėjus maždaug 11 sekundžių, keli rentgeno observatorijų prietaisai užfiksavo rentgeno spindulių blyksnį, o taip pat ir gama spindulių žybsnį iš tos pačios dangaus srities, kur buvo aptiktos gravitacinės bangos. Tyrėjai įvertino, kad atsitiktinio, nesusijusio sutapimo tikimybė yra maža – maždaug vienas toks atvejis per 30 metų stebėjimų.

Kadangi gravitacija ir šviesa sklinda tuo pačiu greičiu, stebėjimų seka leido daryti išvadą, jog pirmiausia įvyko juodųjų skylių susijungimas, o tuomet pasirodė ryškus šviesos pliūpsnis.

Juodosios skylės pačios savaime neskleidžia aptinkamos šviesos, o didžioji dalis jų susijungimų vyksta be jokio šviesinio signalo. Dėl to mokslininkai nusprendė, kad šiuo atveju turėjo veikti papildomas mechanizmas.

Yra viena situacija, kai juodosios skylės gali tapti itin ryškios: kai jos ryja aplinkinę medžiagą, vykstant akrecijai. Jei juodąją skylę supa dujos ir dulkės, jos gali suformuoti diską, kuris dėl gravitacijos ir trinties įkaista, medžiagai spirale artėjant prie objekto – panašiai kaip vandeniui sukantis link nutekėjimo angos.

Toks akrecijos diskas yra vienas šviesos šaltinių. Kitas – astrofizinės čiurkšlės, kurios, mokslininkų manymu, formuojasi, kai dalis medžiagos netoli įvykių horizonto nukreipiama ir pagreitinama magnetinių laukų linijomis, o vėliau išmetama iš poliarinių sričių milžinišku greičiu.

Po S241125n aptiktas gama spindulių žybsnis turėjo požymių, kurie kiek skyrėsi nuo įprastų gama pliūpsnių, susijusių su žvaigždžių branduolių kolapsu supernovose ar neutroninių žvaigždžių susijungimais.

Zhangas ir kolegos svarstė, kad tai galėtų paaiškinti greitos akrecijos epizodas. Tačiau tam, kad naujai susiformavusi juodoji skylė staiga imtų intensyviai „maitintis“, susidūrimas turėtų vykti aplinkoje, kurioje jau yra pakankamai medžiagos.

Tyrėjai sumodeliavo scenarijų, kai dvi žvaigždinės masės juodosios skylės susiduria daug masyvesnės – supermasyvios – juodosios skylės akrecijos diske. Tokie kosminiai „milžinai“, milijonus ar net milijardus kartų masyvesni už Saulę, aktyviai ryja medžiagą pačiuose galaktikų centruose.

Kai susiduria nevienodos masės juodosios skylės, dėl netolygaus masės pasiskirstymo susijungimo metu naujai susiformavusi juodoji skylė gali patirti vadinamąjį „gimimo smūgį“ ir būti tarsi „išspirta“ į šalį.

Pagal komandos simuliacijas, toks „smūgis“ AGN akrecijos diske nublokštų naują juodąją skylę į tankias dulkes ir dujas. Tuomet prasidėtų intensyvi akrecija ir galėtų susiformuoti čiurkšlės, kurių savybės būtų panašios į stebėto gama spindulių pliūpsnio požymius.

Toks paaiškinimas atrodo logiškas: galaktikų centrai yra itin dinamiškos sritys, kuriose gali būti gausu įvairių objektų, įskaitant mažesnes juodąsias skyles bei juodųjų skylių poras, palaipsniui migruojančias link centro.

Nors hipotezei patvirtinti dar reikia papildomų įrodymų, ji pateikia intriguojantį scenarijų, padedantį geriau suprasti galaktikų centrus ir juodųjų skylių susidūrimus, galinčius vykti tokiose aplinkose.

„Ateities S241125n ir panašių įvykių tyrimai galėtų suteikti gilesnių įžvalgų apie juodųjų skylių susijungimų fundamentinę fiziką ir jų vaidmenį platesniame kosminiame kontekste, galbūt atskleidžiant naujus ryšius tarp gravitacinių bangų, elektromagnetinių signalų ir šių neįprastų reiškinių aplinkos“, – rašo mokslininkai.

Tyrimas paskelbtas žurnale „The Astrophysical Journal Letters“.