A Virgo és a LIGO egy szokatlanul nagy tömegű összeütköző kettős rendszer megfigyelését jelentette be: két, 66 és 85 naptömegű fekete lyuk észlelését, melyek ütközésével egy 142 naptömegű fekete lyuk keletkezett. Az összeütközésből keletkezett fekete lyuk a legnagyobb tömegű, amelyet eddig gravitációs hullámok segítségével megfigyeltek, és ez olyan tömegtartományba esik, amelyen belül még soha nem történt fekete lyuk észlelés sem gravitációs hullámokkal, sem elektromágneses megfigyelések segítségével.
Ezen felül a kettős rendszer nagyobb tömegű komponense a csillagok evolúcióelmélete által tiltott tömegtartományba esik, és megkérdőjelezi a nagy tömegű csillagok életének utolsó időszakára vonatkozó ismereteinket.
A gravitációshullám-eseményt a globális detektorhálózat három interferométere 2019. május 21-én figyelte meg. A hullámjelet (GW190521 néven) elemző kutatók a forrás luminozitási távolságát körülbelül 17 milliárd fényévre becsülik. A felfedezésről és annak asztrofizikai következményeiről beszámoló két tudományos cikk ma jelent meg a Physical Review Letters és az Astrophysical Journal Letters folyóiratokban.
„A tavaly május 21-én megfigyelt jel nagyon összetett, és mivel az észlelt rendszer nagy tömegű, a hullámjelet csak rövid ideig, kb. 0,1 másodpercig figyeltük meg” – mondja Nelson Christensen, a Virgo együttműködés tagja, a CNRS kutatási igazgatója az ARTEMIS-nél Nizzában.
Ez nem igazán úgy néz ki, mint egy hagyományos »chirp« jel, amit általában észlelünk: inkább valami olyasmi, ami »durran«,
és az azt létrehozó rendszer a legnagyobb tömegű, amit a LIGO és a Virgo eddig észlelt.” A jel elemzése, amely a legkorszerűbb számítási modelleken alapul, számos információt tárt fel az ütközés különböző szakaszairól.
A Virgo és a LIGO megfigyelési időszakok tömegrekordjának megdöntése csak egyike azoknak a különlegességeknek, amelyek ennek a kivételes összeütközésnek a megfigyelését példátlan felfedezéssé teszik. Egy fontos szempont, ami az asztrofizikusok figyelmét különösen felkeltette az az, hogy a maradvány az úgynevezett „közepes tömegű fekete lyukak” osztályába (száz és százezer naptömeg között) tartozik. Az ebbe a populációba tartozó fekete lyukak iránti érdeklődés az asztrofizikusok és kozmológusok részéről az egyik legizgalmasabb és legnagyobb kihívást jelentő rejtvényhez kapcsolódik: a szupermasszív fekete lyukak eredetéhez. Ezek a hatalmas, a Napnál milliószor, milliárdszor nehezebb szörnyek, amelyek gyakran a galaxisok középpontjában vannak, a „kisebb” közepes tömegű fekete lyukak ütközéséből alakulhatnak ki.
Eddig nem azonosítottak bizonyíthatóan közepes tömegű fekete lyukakat elektromágneses megfigyelésekkel, és a GW190521 ütközés után kialakult fekete lyuk az első ilyen megfigyelés gravitációs hullámok segítségével. Még érdekesebb, hogy a maradvány tömege 100 és 100,000 naptömeg közé esik, ami
az eseményjelöltek ezen a tartományon belüli kevés számának köszönhetően.
A GW190521 összeütköző kettős rendszer komponensei és dinamikája rendkívüli asztrofizikai következtetésekre ad lehetőséget. A nagyobb tömegű komponens további kérdéseket vet fel azokkal a modellekkel kapcsolatban, amelyek a nagy tömegű csillagok fekete lyukakká történő összeomlását írják le életük végén. Ezen modellek alapján a nagy tömegű csillagokat teljesen szétszakítja a “pár-instabilitási” folyamat miatt bekövetkező szupernóva-robbanás, ami mindössze gázt és kozmikus port hagy maga után. Ennek következtében az asztrofizikusok nem várnak fekete lyuk megfigyeléseket a nagyjából 60 és 120 naptömeg közé eső tartományban: pontosan abban a tömegtartományban, amelyben a GW190521 jelet kibocsájtó kettős rendszer nagyobb tömegű komponense található. Ezért ez a megfigyelés új távlatokat nyit a nagy tömegű csillagok és szupernóvamechanizmusok tanulmányozásában.
„Számos forgatókönyv jósolja meg fekete lyukak kialakulását az úgynevezett »pár-instabilitási tömegtartományban«: kisebb fekete lyukak összeolvadásából, (több) nagytömegű csillag ütközéséből vagy akár egzotikusabb folyamatokból is származhatnak” – állapítja meg Michela Mapelli, a Padovai Egyetem professzora, az INFN Padova és a Virgo együttműködés tagja. „Azonban az is lehetséges, hogy felül kell vizsgálnunk a csillagok életének végső szakaszáról alkotott képünket és az ebből eredő korlátozásokat a kialakuló fekete lyukak tömegére. Akárhogy is legyen, a GW190521 jelentősen hozzájárul a fekete lyukak kialakulásának tanulmányozásához.”
A GW190521 megfigyelés rávilágít az idáig nem észlelt vagy váratlan feketelyuk-populációk létezésére, és ezáltal érdekes, új kérdéseket vet fel kialakulásuk mechanizmusával kapcsolatban. A jel szokatlanul rövid időtartama ellenére, ami korlátoz minket abban, hogy a forrás asztrofizikai tulajdonságaira következtethessünk, a legfejlettebb elemzések és a jelenleg rendelkezésre álló modellek azt sugallják, hogy
„A jel a precesszió, azaz a keringési sík elfordulásának nyomait mutatja, amelyet nagy magnitúdójú és egyedi szögállású spinek hozhattak létre” – fejti ki Tito Dal Canton, a Francia Nemzeti Tudományos Kutatóközpont (CNRS) franciaországi Orsayban működő IJCLab laboratóriumának kutatója és a Virgo együttműködés tagja. „A hatás gyenge, és nem állíthatjuk, hogy határozottan jelen van, de ha igaz, akkor ez alátámasztaná azt a hipotézist, miszerint a fekete lyuk elődök (progenitorok) egy nagyon zsúfolt kozmikus környezetben keletkezhettek és élhettek, például egy sűrű csillaghalmazban vagy egy aktív galaxismag akkréciós korongjában.”
Továbbra is számos eltérő forgatókönyv egyeztethető össze a kapott eredményekkel. A kutatók még azt az elképzelést sem vetették el, hogy az összeütköző objektumok esetleg ősi, az ősrobbanásból származó fekete lyukak lehetnek. Becsléseink szerint ez az összeütközés körülbelül 7 milliárd évvel ezelőtt, az Univerzum korai időszakában történt.
A megfigyelt GW190521 jel nagyon rövid időtartamú és nehezebben elemezhető a korábbi gravitációshullám-észlelésekhez képest. A jel bonyolultabb jellege miatt az eddigiektől eltérő, különleges forrásokat is figyelembe vettek, és ezeket a lehetőségeket egy kísérő publikáció ismerteti. Ezek a lehetőségek azonban kedvezőtlen megítélésűek abban a tekintetben, hogy a forrás egy összeütköző fekete lyuk kettős volt.
„A Virgo és a LIGO észlelései a korai Univerzum eddig ismeretlen régióiba engednek betekintést és egy új kozmikus tájképet mutatnak meg” – állapítja meg Giovanni Losurdo, a Virgo szóvivője és az Olasz Nemzeti Nukleáris Fizikai Intézet (INFN) kutatási vezetője. „Most ismét bejelentünk egy mind ez idáig példátlan felfedezést. Folyamatosan fejlesztjük a detektorainkat, hogy növeljük a teljesítményüket, és egyre távolabbra nézhessünk az Univerzum mélyébe.”
A LIGO-Virgo együttműködések munkájában három magyar kutatócsoport is részt vesz, és a fentihez hasonló eredmények eléréséhez járul hozzá. A Dr. Vasúth Mátyás vezette, a Wigner Fizikai Kutatóközpontban működő Gravitációfizikai Kutatócsoportja 2010-től a Virgo együttműködés tagja. Az Eötvös Gravity Research Group (EGRG) az Eötvös Loránd Tudományegyetemen működik Dr. Frei Zsolt vezetésével, ami 2007 óta az LSC tagja. Szintén a LIGO együttműködés tagja a Szegedi Tudományegyetem gravitációs hullámok kutatásával foglalkozó, Dr. Gergely Árpád László vezette kutatócsoportja, mely 2009-től az ELTE csoport külső tagjaként, 2014-től pedig önállóan vesz részt a kutatásokban. A három magyarországi kutatócsoporton kívül is vannak magyar résztvevői az együttműködésnek, Bartos Imre a Floridai Egyetem, Márka Szabolcs és Márka Zsuzsa pedig a Columbia Egyetem kutatójaként vesz részt a kutatásokban.
„Annak ellenére, hogy a LIGO és a Virgo már több tucat ütközést észlelt, a GW190521 az első, ahol az ütközés módjáról is információt kapunk. Ráadásul ez a mód nagyon érdekes és meglepő!” – mondta Bartos Imre, a Floridai Egyetem professzora, aki a LIGO es Virgo együttműködések közepes tömegű fekete lyuk kutatócsoportját vezeti. Az ütközést a Floridai Egyetemen kifejlesztett keresőalgoritmus találta meg a legnagyobb érzékenységgel.
„A megfigyelt hullámjel nagyon rövid ideig tartott, de ez nem volt akadálya annak, hogy a forrásáról nagyon sok fontos részletet tudjunk meg. A detektorok érzékenységének növekedésével több hasonló megfigyelésre is számíthatunk” – mondta Vasúth Mátyás a Wigner Virgo csoport vezetője.
