— Published on 28/06/2020 / Bug.hr.
GW190814, signal u području gravitacijskih valova koji je opazio LIGO, odgovara stapanju crne rupe od 23 mase Sunca i još nečega od 2,6 masa Sunca; previše za neutronsku zvijezdu, premalo za crnu rupu
Prije nego komentiram upravo objavljeno otkriće neobičnog astrofizičkog fenomena opaženog izravnom detekcijom gravitacijskih valova moram se osvrnuti na jedan aktualni društveni fenomen. Zahvaljujući krizi živnuli su razni teoretičari zavjera. Neki od njih smatraju da znanstvenici zataškavaju sva ona otkrića koja se ne uklapaju u "službenu istinu", u ono što piše u udžbenicima. Neću sad ulaziti u zanimljivo pitanje odakle potječu takvi stavovi niti ću tvrditi da su svi znanstvenici u svim situacijama pošteni. No, prirodna znanost u cjelini funkcionira upravo suprotno. Ne da zataškava činjenice koje se ne uklapaju u poznatu sliku, nego za njima upravo vapi. Takva otkrića, koja se ne slažu s postojećim teorijama, često otvaraju nova područja znanja i preusmjeravaju cijeli tok znanosti. San svakog znanstvenika je da tako nešto otkrije i objavi, a ne da zataji.
.
LIGO i Virgo
Nakon dugogodišnjih usavršavanja, detektori gravitacijskih valova LIGO i Virgo dosegli su onu osjetljivost s kojom je izravna detekcija gravitacijskih valova postala rutnska. Nakon povijesnog događaja GW150914, prve izravne detekcije gravitacijskih valova koja je ostvarena 14. rujna 2015. detektorom LIGO i objavljena 11. veljače 2016. godine, gravitacijski valovi pouzdano su detektirani još desetak puta. Od ljeta 2017. američki LIGO dobio je pojačanje. Dovoljno osjetljiv postao je i detektor Virgo Europskog gravitacijskog opservatorija, smješten pored Pise. LIGO i Virgo otvorili su novi prozor u svemir i začeli novu granu astronomije – astronomiju gravitacijskih valova.
.
Događaj GW190814
Gotovo svi opaženi događaji potječu od stapanja crnih rupa. Dvojni sustav crnih rupa energiju gubi zbog emisije gravitacijskih valova. Crne rupe gibaju se spiralno jedna prema drugoj dok se konačno ne stope. To spiralno "padanje" traje milijunima godina, no zadnja faza – samo stapanje – iznimno je dramatična i traje desetak sekundi. Upravo u toj fazi odaslani gravitacijski valovi dovoljno su intenzivni da mogu biti izravno opaženi zemaljskim detektorima. Signal koji detektori opažaju izvrsno se slaže s očekivanim oblikom signala koji je dobiven simulacijama. Iz njega se mogu očitati karakteristike fizičkog sustava koji je uzrokovao emisiju.
Jedna od karakteristika koja se može izvući iz oblika detektiranog signala gravitacijskih valova je masa objekata dvojnog sustava. U slučaju događaja GW190814 dobivene su mase komponenata dvojnog sustava: 23 mase Sunca i 2,6 masa Sunca. To su naravno samo srednje vrijednosti. Broj bez pogreške u fizici i astronomiji ne znači ništa. Izvorni rad objavljen prošli tjedan u časopisu The Astrophysical Journal Letters navodi, s vjerojatnošću od 90%, da je masa prvog objekta između 22,2 i 24,3 masa Sunca, a drugog između 2,50 i 2,67 masa Sunca. Masivniji objekt je pouzdano identificiran kao crna rupa. No, ovaj drugi, manje masivan, je upitan. U naslovu članku se spominje samo kao kompaktni objekt.
.
Neutronska zvijezda?
Kompaktni kozmički objekt je svemirsko tijelo relativno velike mase unutar relativno malog obujma, primjerice neutronska zvijezda ili crna rupa. Neutronska zvijezda je središnji ostatak eksplozije supernove, objekt čiji je promjer otprilike 10 km. S druge strane, masa joj je otprilike kao masa Sunca. Što znači da joj je gustoća ekstremno velika, reda veličine 1017 kg/m3. To je sto bilijuna puta gušće od vode. Čajna žličica (otprilike 5 mL) tvari s neutronske zvijezde ima masu od desetak milijuna tona, otprilike kao Keopsova piramida. Takva nezamisliva gustoća moguća je zato što su atomi uglavnom prazni prostor. Skoro sva masa je u atomskoj jezgri koja je 100 000 puta manja od atoma. Ako atome potpuno ioniziramo ostanu samo jezgre. Te su jezgre, doduše, pozitivno nabijene pa ih je iznimno teško dovesti jedne blizu drugima. No, ako se protoni u reakciji s elektronima transformiraju u neutrone, a to je moguće, onda više nije problem iskoristiti inače prazan prostor atoma i tvar, načinjenu samo od neutrona, ekstremno zgusnuti. Neutronska zvijezda je tako jedna divovska atomska jezgra.
Međutim, ta divovska atomska jezgra ima strogo ograničenje na masu. Ako je previše masivna, gravitacija ju uruši u još kompaktniji objekt, crnu rupu. Fizika zvijezda kaže ovako: bijeli patuljak može imati masu do najviše 1,39 masa Sunca. Ta vrijednost naziva se Chandrasekharovom granicom. Ako kompaktni objekt premaši tu granicu onda tlak gravitacijskog stezanja nadvlada unutrašnji tlak (kojega, stručno rečeno, stvara degenerirani elektronski plin). Laički rečeno, tada atomi popuste, elektroni bivaju natjerajni u atomske jezgre pa onda s protonima formiraju neutrone. Bijeli patuljak se uruši u puno gušći objekt, neutronsku zvijezdu. Tada na scenu stupa drugi unutrašnji izvor koji se suprostavlja gravitacijskom pritisku: tlak degeneriranog neutronskog plina. Ali ni on nije svemoćan. Neutronska zvijezda ima masu od tipično 1,4 mase Sunca do oko 2 mase Sunca. Krajem 2019. opažena je jedna neutronska zvijezda mase 2,14 masa Sunca. To je rekord. Teorijski bi moglo biti do 2,16 masa Sunca. To je Tolman–Oppenheimer–Volkoffova granica. Iznad toga, tlak degeneriranog neutronskog plina više nije dovoljan. Gravitacijsko sažimanje preuzima igru i neutronsku zvijezdu pretvara u crnu rupu.
.
Crna rupa ili nešto treće?
Dakle, prilično je sigurno da onaj manje masivni objekt dvojnog sustava čije je stapanje dalo signal GW190814 nije neutronska zvijezda. Je li onda crna rupa? Moguće, no vrlo neobično. Crnih rupa zvjezdanih masa, onih koje su nastale kolapsom velikih zvijezda, poznajemo puno, ali nijedna dosad nije bila mase manje od pet masa Sunca. Naime, da bi eksplozijom supernove nastala izravno crna rupa ta supernova mora biti jako masivna. Takvu ogromnu supernovu zovemo hipernovom. Eksplozijom hipernove, kao i eksplozijom supernove, vanjski slojevi zvijezde razlete se u okolni prostor, a unutrašnji dio sažme se u kompaktni objekt. Crna rupa koja tako nastaje ima masu tipično desetak masa Sunca, recimo od 10 do 50 masa Sunca. Nije baš izgledno da crna rupa ima samo 2,6 masa Sunca. Nekako je sumnjivo malo. U svakom slučaju, cijeli taj dvojni sustav – u kojem jedan partner ima 23 mase Sunca a drugi samo 2,6 masa Sunca – vrlo je neobičan. Izvorni članak se ne upušta u spekulacije, ali od ranije postoje neke teorijske ideje da bi u tom procjepu između najmasivnije neutronske zvijezde i najmanje masivne crne rupe, dakle negdje između 2,5 masa Sunca i 5 masa Sunca, mogla postojati još egzotičnija vrsta zvijezde od neutronske, kvakovska zvijezda. U toj bi zvijezdi čak i neutroni bili "razbijeni" u svoje sastavnice pa bi zvijezda bila nekakva juha od kvarkova i gluona, fizičari to nazivaju kvark-gluonskom plazmom. No, tu smo već dobrano prekoračili granicu poznatog i zagazili duboko u spekulacije. U svakom slučaju, astronomija gravitacijskih valova počela je – očekivano – otkrivati nove fenomene.