Dacă cercetătorii au dreptate, atunci peste circa trei ani vom asista la un mare eveniment cosmic. Ar fi o bună ocazie pentru a testa teoriile fizicii în condiții extreme și, pentru noi, profanii, prilejul unei mari bucurii. O spun chiar de pe acum: am putea asista la ciocnirea a două găuri negre supermasive.
Informația am descoperit-o în articolul ”Tick-Tock: The Imminent Merger of a Supermassive Black Hole Binary”, preprint publicat în baza ArXiv la sfârşitul lunii ianuarie 2022. Aici erau prezentate rezultatele analizei datelor referitoare la galaxia activă SDSSJ1430+2303, care se află la o distanță de 1,2 miliarde de ani lumină distanță de noi.
Ce este o galaxie activă?
Spre deosebire de o galaxie obișnuită, cum este Calea Lactee, galaxiile active emit mai multă energie decât suma energiei emisă de stelele care o compun. Inițial ele au reprezentat un mister: de unde vine această energie suplimentară? Au fost avansate mai multe ipoteze. Una dintre ele presupunea că avem de-a face cu coliziuni galactice sau cu explozii în lanț a unor stele. Nici una dintre ele nu s-a dovedit a fi satisfăcătoare. În 1968, britanicul Donald Lynden-Bell a propus o explicație, care este acceptată astăzi de marea majoritate a astrofizicienilor. El a arătat că sursa de energie a galaxiilor active își are originea în găurile negre supermasive, care au o masă echivalentă milioane, sau chiar miliarde de mase solare, care sunt prezente în centrul lor. Desigur, găurile negre nu pot produce ele însele energie. Ea este rezultatul interacțiunii dintre ele și materia prezentă în vecinătatea lor. Atunci când materia cade către o gaură neagră se formează un disc de acreție în care se produce o transformare a energiei gravitaționale în energie termică, ceea ce duce la creștere masivă a temperaturii discului. De aici rezultă emisia de radiații electromagnetice de mare intensitate, în special în domeniul radiațiilor UV și X.
Acest mod de a produce energie este mult mai eficace decât reacțiile de fuziune nucleară din nucleele stelare. Iată de ce nucleele galaxiilor active emit mai multă energie decât câteva galaxii normale luate împreună.
Găuri negre supermasive se găsesc în inima celor mai multe galaxii, dar deocamdată nu avem o teorie care să ne explice cum ajung la talii atât de mari. Ele ar crește prea încet dacă s-ar ”hrăni” cu materia din vecinătatea lor. În schimb, creșterea ar fi mult mai rapidă în coliziunilor dintre galaxii. După ciocnire, găurile negre centrale se conectează gravitațional și, treptat, treptat, încep să cadă pe o traiectorie spiralată una către alta.
Din păcate, asemenea perechi de găuri negre centrale sunt greu de detectat. Telescoapele spațiale care observă Universul în domeniul X al spectrului electromagnetic au identificat câteva galaxii active care au două surse strălucitoare centrale, dar în aceste cazuri, distanța dintre presupusele găuri negre este de câteva sute de ani lumină și, drept consecinţă, vor trece miliarde de ani până vom asista la ciocnirea lor. Atunci când sunt apropiate, ele sunt imposibil de separat cu ajutorul instrumentelor de care dispun în prezent astronomii.
Desigur, vă veți întreba cum de autorii lucrării, care face subiectul acestui text, au reușit să ajungă la concluzia privitoare la o coliziune iminentă a două găuri negre supermasive?
Observațiile
Pentru revista Science et Vie, Huan Yang, cercetător la Institutul Primeter pentru Fizică teoretică din Canada și coautor al studiului care mi-a stârnit interesul, povestea că: ”La început nici măcar nu ne-am gândit la acest subiect. Noi căutam galaxii ale căror semnale luminoase ne-ar indica distrugerea unei stele de către o gaură neagră.”
Echipa de cercetători a identificat inițial galaxia activă SDSSJ1430+23 ca adăpostind un sistem binar de găuri negre supermasive cu ajutorul telescopului californian ZTF (Zwicky Transient Facility), pe baza variațiilor de luminozitate a galaxiei amintite. Huang Yang: ”Curba de luminozitate [a galaxiei] avea o stranie variație ciclică cum nu mai văzusem până atunci”. Ning Jiang, de la Universitatea de Știință și Tehnologie a Chinei explica pentru site-ul revistei Science: ”primul meu reflex a fost să cred că avem de-a face cu o pereche de găuri negre supermasive”. Apoi cercetătorii au mers mai departe și au constatat că perioada de variație a luminozității a scăzut constant, de la un an la numai o lună, în intervalul 2019 – 2021. Asta ar fi un indiciu clar că ar trebui să ne așteptăm, în curând, la o coliziune între cele două găuri negre supermasive aflate în centrul galaxiei active SDSSJ1430+23. Pentru a avea o confirmare suplimentară, cercetătorii au analizat datele obținute cu ajutorul telescopului spațial Neil Gehrels Swift X, al NASA, care observă Universul în domeniul radiațiilor X. Ele se suprapuneau foarte bine peste observațiile obținute în domeniul vizibil.
Pe baza datelor analizate, folosindu-se de teoria generală a relativității, cercetătorii au ajuns la concluzia că avem de-a face cu un sistem binar, alcătuit din două găuri negre supermasive, care au o masă de circa 40 și, respectiv, 200 milioane de mase solare, care, în prezent se află la o distanță între ele echivalentă cu distanța dintre Soare și Pluton. De asemenea, coliziunea ar trebui să se producă peste circa trei ani.
Reacțiile apărute după postarea lucrării au fost de-a dreptul extreme. De exemplu, Andrew Fabian, cercetător la Universitatea Cambridge, declara cu entuziasm: ”Ar fi un eveniment extraordinar, care se întâmplă în Univers o dată la 10 000 de ani!”
La rândul său, Luc Blanchet, cercetător la Institutul pentru astrofizică din Paris declara: ”Ciocnirea a două găuri negre supermasive ar reprezenta o ocazie extraordinară pentru verificarea robusteței teoriilor privitoare la formarea și evoluția galaxiilor și de a studia felul în care evoluează găurile negre de-a lungul timpului.”
Ning Jiang este de părere că ”Dacă predicțiile noastre sunt corecte, este absolut necesar să fie declanșată o campanie de observare pe toate lungimile de undă posibile”. Printre cei care au răspuns la apelul cercetătorului chinez a fost, desigur, Andrew Fabian: ”Pe moment aș fi sceptic. Dar dacă cercetătorii au dreptate, atunci este extrem de important să efectuăm un număr maxim de observaţii asupra acestei galaxii.” De altfel el a mers chiar mai departe și a cerut rezervarea de timp de observații la telescopul spațial NICER (Neutron Star Interior Composition Explorer) cu ajutorul căruia se studiază stelele neutronice în domeniul radiațiilor X a spectrului electromagnetic, care este amplasat la bordul Stației Spațiale Internaționale. Desigur, avem de-a face cu o ușoară abatere de la obiectivele științifice inițiale, dar Fabian crede că evenimentul cosmic, care s-ar putea produce peste trei ani, merită tot efortul.
Cum este firesc în știință, există și voci care contestă cu vehemență concluziile studiului, dar despre ei, nu vă supărați pe mine, vă voi povesti ceva mai încolo.
Suntem pregătiți pentru observații?
Pentru observații în domeniul undelor electromagnetice suntem pregătiți deja. Avem telescoape terestre și spațiale de înaltă performanță. Lor li se va adăuga și telescopul spațial James Webb, devenit operațional în această vară. Avem și radiotelescoape extrem de performante, care ne vor ajuta să efectuăm observații interesante în domeniul undelor radio.
În urma ciocnirii celor două găuri negre supermasive va rezulta și un mare număr de neutrini. Deși ei interacționează foarte slab cu materia, totuși este foarte probabil ca o mică parte dintre ei să fie detectate de către observatoarele de neutrini care sunt operaționale în prezent.
Știu că mă veți întreba: dar în domeniul undelor gravitaționale vor putea fi efectuate observații?
Răspunsul este un ”nu” hotărât, din păcate. Am să încerc să vă explic de ce sunt atât de hotărât. Am consultat câteva lucrări scrise de către oamenii de știință și am aflat că frecvența undelor gravitaționale este direct proporțională cu perioada de revoluție a sistemului care le generează. În cazul găurilor negre care sunt pe cale să se ciocnească, această perioadă este direct proporțională cu masa lor. Altfel spus, cu cât masa lor este mai ridicată, cu atât perioada de revoluție este mai mare. Asta se traduce printr-o frecvență mai scăzută. Banda de frecvență în care putem observa unde gravitaționale corespunde pentru cele generate în urma coliziunilor dintre stele neutronice sau dintre găuri negre de mase stelare. Avem nevoie de un alt instrument. Unul amplasat în spațiu. Vă spun de pe acum, cu regret, că el va fi operațional abia prin 2037.
LISA, telescopul spațial de unde gravitaționale
Despre LISA am scris în revista noastră cu nu mai știu cu câți ani în urmă. La acea vreme programul părea bine conturat și părea că va deveni operațional undeva în anii 2010. LISA este acronimul de la Laser Interferometer Space Antenna. Acest telescop spațial pentru unde gravitaționale va veni în completarea celor terestre, putând să le detecteze pe cele cu frecvență joasă. Într-o descriere scurtă LISA va consta din trei sateliți plasați pe orbită heliocentrică ce vor fi plasate astfel încât să formeze un triunghi echilateral cu latura de 2,5 kilometri.
Programul LISA a fost demarat încă din 1997, sub forma unei colaborări între ESA și NASA. Din păcate, din motive financiare, NASA a abandonat proiectul. Va reveni mai târziu, undeva prin anul 2016. Între timp ESA, văzând că nu mai dispune de fondurile pe care le spera prin colaborarea cu NASA, a redus numărul de sateliți din componența LISA de la 6 la 3.
În anul 2017; ESA a parcurs cu succes o primă etapă a programului LISA. Este vorba despre LISA Pathfinder, care a testat tehnologiile necesare pentru operaționalizarea telescopului spațial pentru unde gravitaționale.
Sistemul interferometric LISA este alcătuit din 3 sateliți plasați pe o orbită heliocentrică astfel încât să formeze un triunghi echilateral cu latura de 2,5 milioane de kilometri. Fiecare dintre acești sateliți conține câte două mase de referință care se află în cădere liberă. Rolul lor este de a elimina perturbațiile exterioare, cum ar fi cele produse de către vântul solar. Practic, un sistem laser măsoară poziția lor cu o precizie de o miliardime de metru. Atunci când apar perturbații sunt activate niște mici motoare de corecție, înlăturându-se astfel efectele lor.
Pe fiecare satelit LISA sunt instalate câte două lasere, fiecare dintre ei trimițând câte un fascicul către ceilalți doi sateliți. Spre deosebire de interferometrele de tip Michelson, cum sunt cele folosite pentru telescoapele gravitaționale terestre, în cazul LISA fasciculele laser nu vor fi reflectate pentru a interfera cu fasciculul produs de același laser. Motivul este simplu: distanța dintre sateliți este prea mare iar puterea luminoasă recepționată este foarte mică, de ordinul picowaților. Din acest motiv se va apela la un algoritm numeric prin care fasciculele laser sunt combinate, pentru a obține ceea ce putem numi ”interferometru numeric”.
Așa cum știți, undele gravitaționale produc deformări ale spațiu-timpului. Aceste deformări modifică distanțele între cei trei sateliți ai sistemului LISA și, prin tehnici interferometrice, pot fi măsurate. LISA poate detecta unde gravitaționale de joasă frecvență, în intervalul 0,1-100 mHz, care așa cum vă spuneam mai devreme nu sunt accesibile telescoapelor gravitaționale terestre.
Și aș vrea să vă mai spun ceva: România, prin Institutul de Științe Spațiale, participă la acest proiect ambițios. Și nu este vorba despre o contribuție măruntă, dimpotrivă. Este vorba despre Institutul de Științe Spațiale va contribui la Misiunea LISA cu sistemul CAS (Constellation Acquisition Sensor), care va avea rolul de verificare a alinierii celor 3 sateliți, asigurând achiziția semnalului laser pe detectorii interferometrici.
Deși LISA nu va putea să ne ajute la observarea fenomenului cosmic care se va produce peste trei ani, totuși avem la dispoziție celelalte instrumente despre care vă vorbeam mai devreme. Așa cum vă spuneam, mulți oameni de știință le-au programat deja. Dar există și alții care consideră că ipoteza, prezentată în lucrarea despre care v-am povestit în acest text, este mai mult decât hazardată.
Contestatarii
Trebuie să precizez că, deocamdată, rezultatele prezentate de către cercetători, nu a trecut prin furcile caudine ale procesului ”peer review”, adică nu au fost verificate de către specialiști independenți. În mod normal poate că nu v-aș fi povestit despre ele, dacă nu ar aparține unor cercetători care lucrează în instituții științifice de mare prestigiu.
Într-o declarație pentru revista Science et Vie, Françoise Combes, astrofizician la Observatorul din Paris, își arăta scepticismul: ”Faptul că periodicitatea semnalului nu este aceeaşi în domeniul X și în domeniul optic, este un semn rău. Am mai degrabă impresia că în domeniul optic avem de-a face cu o variabilitate a luminozității discului de acreție a unei găuri negre solitare, cea de-a doua nu există.”
Fizicianul teoretician Daniel D’Orazio, de la Institutul Niels Bohr din Copenhaga are și el mari îndoieli, pe care și le-a exprimat pentru site-ul revistei Science. De exemplu, datele colectate de către telescopul californian Zwicky Transient Facility, nu arată variații periodice de luminozitate ale galaxiei SDSSJ1430+2303, înainte de 2019. ”De ce oscilațiile s-au produs abia acum?”, se întreabă D’Orazio. La fel ca Françoise Combes, el crede că avem de-a face cu variații de luminozitate ale unei galaxii active, care are în centru o singură gaură neagră supermasivă.
Desigur, ar fi nevoie de observații suplimentare. Din păcate observațiile au fost întrerupte în august 2021, deoarece galaxia a ajuns pe aceeași direcție cu Soarele. Ele au redemarat după câteva luni, în noiembrie, dar cercetătorii s-au confruntat cu probleme tehnice, atât la telescopul Zwicky Transient Facility, cât și la telescopul Neil Gehrels Swift X, probleme care au încetinit foarte mult colectarea de date noi.
Încheiere
Eu sper în continuare că vom asista împreună la un uriaș eveniment cosmic. Nu de alta, dar următoarea ciocnire între două găuri negre supermasive, prognozată de astrofizicieni, se va produce peste vreo 10.000 de ani. Despre ea v-am povestit într-o scurtă știre publicată în ediția din aprilie a revistei noastre. Este vorba despre perechea de găuri negre, care poartă numele PKS 2131-021, situate într-o galaxie care se află la circa nouă miliarde de ani-lumină distanță de noi. Fiecare dintre cele două găuri negre supermasive are o masă echivalentă cu câteva sute de milioane de mase solare.
Eu vă dau de pe acum întâlnire la Astrofest-ul de peste trei ani, unde, cu siguranță vom vorbi despre acest subiect fascinant…
