Biliárdjáték a kozmoszban

A fekete lyukak a világegyetem különleges objektumai. Keveset tudunk róluk hiszen nem bocsátanak ki fényt magukból, és egészen 2015-ig az fő információforrásunk az Univerzumról a fény volt. Abban az évben a LIGO először detektált gravitációshullámokat egy feketelyuk-ütközésről, így a kutatók már több információhoz jutottak. Ezek birtokában rendkívül meglepte őket, amikor 2019-ben a LIGO-Virgo gravitációshullám-detektorok egy minden addigitól eltérő jelenséget észleltek. 

Egy kilencfős nemzetközi tudóscsoport (köztük három ELTE-s kötődésű magyar fizikus) vizsgálni kezdte a szokatlan észlelést. „A GW190521 elnevezésű esemény során hihetetlenül nehéz és gyors fekete lyukak ütköztek össze. Ráadásul ezek a fekete lyukak nemcsak nagy tömegükben, szokatlanul intenzív mozgásukban tértek el a korábban megfigyelt ütközésektől, hanem pályájuk tekintetében is. Ugyanis

nem kör-, hanem elliptikus pályán keringtek az ütközések előtt,

és így szinte frontálisan ütköztek egymással” – mondja Bartos Imre, a Floridai Egyetem professzora, aki az erre vonatkozó kutatást vezette. "Ez módfelett meglepett minket, mert eddigi ismereteink szerint a fekete lyukak pályája a gravitációs hullámok miatt még jóval az összeütközés előtt köralakúvá válik” – teszi hozzá Haiman Zoltán, a Columbia Egyetem professzora, a mostani kutatás másik magyar résztvevője.

A kutatók azon kezdtek el gondolkodni, hogyan történhet ez. “ELTE-s doktoranduszaimmal, Szölgyén Ákossal és Máthé Gergővel korábban azt találtuk, hogy a fekete lyukak súlyuknál fogva vastag korongba rendeződnek a galaxis közepén található nagy fekete lyuk körül – mondja Kocsis Bence, az Oxfordi Egyetem professzora. – Akkor azt láttuk, hogy ebben a korongban nagyon sok kisebb fekete lyuk is található, amelyek gravitációs kölcsönhatásuk révén, 'párokba' rendeződve, elliptikus pályán mozognak."

E csillagkettősök kialakulását pusztán az óriási központi fekete lyuk jelenléte nem okozhatja, hiszen gyakori ütközésre csak vékonyabb struktúrában kerülhet sor. Korábban Hiromichi Tagawa, az ELTE akkori posztdoktori kutatója, a mostani kutatás vezetője mutatta meg munkatársaival, hogy azokban a galaxismagokban, ahol található egy gázfelhő is, a gáz hatására a fekete lyukak elindulnak befelé, és egymás közelébe kerülve szoros kettősöket formálhatnak. Amikor ezek a kettősök egy harmadik fekete lyukkal is találkoznak, kaotikus táncba kezdenek, úgy pattognak, mint játék közben a biliárdgolyók.

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. Amikor a kutatók a GW190521 esemény rejtélyén törték a fejüket, az elliptikus mozgást látva felvetődött bennük, 

vajon hogyan viselkednének a fekete lyukak kétdimenziós környezetben. 

Itt jött be a képbe a kétdimenziós lapos gázfelhő. „A kísérletben azt láttuk, hogy gáz hatására drámaian, akár a háromdimenziós környezetben tapasztaltak 100-szorosára is megnő a nem kör alakú pályák száma” – idézi fel a tapasztaltakat Johan Samsing, a tanulmány első szerzője.

A lapos gázfelhők elmélete a pályák elliptikusságán túl megmagyarázza a GW190521 ütközés másik két, szokatlan tulajdonságát is. 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 pedig a fekete lyukak forgását is felgyorsítják. Mindezek alapján a kutatók megállapították, hogy a különös GW190521 eseményt egy speciális körülmény magyarázhatja: az ütközés egy korong alakú, lapos gázfelhőben történhetett, egy távoli galaxis magjában, egy óriási fekete lyuk közelében. 

A felfedezés adalékkal szolgál a kvantummechanika háromtest-problémájához is. “A fekete lyukak viselkedése sokban hasonlít az elektronok pattogására egy kétdimenziós konfigurációban. Ezt a problémát még ELTE-hallgatóként vizsgáltam Cserti Józseffel és Palla Gergellyel, azt kutatva, vajon hogyan teremt a kvantummechanika rendet a káoszban” – egészíti ki a mondottakat Kocsis Bence.

Mindez csak a kezdet. “A kutatók régóta próbálják megérteni a sűrű, lapos gázfelhők működését, de ez nem könnyű. Az eredmény nagyban függ a gázfelhők tulajdonságaitól és attól is, ahogy a fekete lyukak mozognak bennük. A mostani felfedezés új utat nyit és váratlan felfedezésekhez vezethet a gázfelhők vizsgálatában is” – hangsúlyozza Haiman Zoltán.

Az eredményeket részletező tanulmány 2022. március 10-én a Nature oldalán jelent meg.