9 Minute
În 2023, observatoarele de valuri gravitaționale au înregistrat o coliziune atât de neobișnuită încât părea să încalce regulile pe care se bazează fizicienii. Semnalul, etichetat GW231123, provenea dintr-o fuziune aflată la şapte miliarde de ani-lumină distanță și purta amprentele unor găuri negre care — conform teoriei stelare standard — nu ar fi trebuit să existe.
O fuziune care a provocat astrofizica
Când astronomii au decriptat forma de undă GW231123, au descoperit două proprietăți surprinzătoare: găurile negre componente se situau în interiorul așa-numitului gap de masă asociat instabilității perechilor (pair-instability mass gap), iar ele prezentau viteze de rotație (spin) apropiate de viteza luminii. Această combinație a rezultat derutantă. Modelele standard de evoluție stelară prezic că stelele cu mase inițiale cuprinse aproximativ între 70 și 140 de mase solare experimentează supernove de tip pair-instability, un proces termonuclear exploziv care descompune steaua complet și nu lasă în urmă un remnant compact.
Explicațiile convenționale au invocat canale de formare exotice: fuziuni repetate în roiuri stelare dense sau creștere ierarhică în care coliziunile anterioare de găuri negre generează remanente de generație a doua, mai masive. Totuși, aceste căi tind să 'amestece' orientările de spin — ceea ce face extrem de puțin probabil ca două găuri negre masive și cu spin înalt să se ciocnească într-un singur eveniment cu parametrii observați.
Pe de altă parte, validarea unui semnal ca GW231123 implică analize detaliate ale formei de undă, evaluări statistice ale populației de surse și simulări de populație (population synthesis). Datele disponibile au stârnit dezbateri despre limitele curente ale modelelor stelare și despre necesitatea includerii unor procese fizice adiționale — precum magnetismul stelar și dinamica discurilor de acreție — în simulările de formare a găurilor negre.
.avif)
Ce au omis simulările: câmpurile magnetice
O echipă condusă de cercetători de la Center for Computational Astrophysics, parte a Flatiron Institute, a reexaminat problema introducând un ingredient crucial: magnetismul. Multe modele computaționale anterioare s-au concentrat pe gravitație și fizica nucleară, dar au simplificat sau au omis frecvent câmpurile magnetice. Simulările Flatiron au urmărit evoluția unei stele foarte masive — inițial în jur de 250 de mase solare — pe parcursul ciclului ei de viață și în timpul colapsului, modelând explicit câmpurile magnetice din discul rezidual al stelei în moarte.
Aceste simulări magnetohidrodinamice (MHD) au folosit rezoluții ridicate și scheme numerice care păstrează conservarea momentului unghiular și a fluxului magnetic în disc. Modelarea include fenomene precum instabilitatea magnetorotatională (MRI), torcțiuni magnetice (magnetic torques) și propulsia vânturilor magnetice ce pot scăpa din potențialul gravitațional al discului. În combinație cu evoluția nucleosintetică târzie a nucleelor, această abordare a produs rezultate semnificativ diferite față de simulările anterioare, non-magnetice.
Rezultatul răstoarnă o parte din povestea standard. După arderea nucleară de ultimă etapă, steaua simulată pierduse o mare parte din straturile exterioare și avea, la momentul colapsului, aproximativ 150 de mase solare — aproape exact la marginea gapului de masă considerat interzis. Când nucleul s-a prăbușit, s-a format o gaură neagră nou-născută înconjurată de un disc dens, rotativ rapid și străbătut de linii de câmp magnetic puternic concentrate.
Presiunea magnetică: un moderator ascuns
Câmpurile magnetice puternice acționează ca o sursă suplimentară de presiune în interiorul discului. În loc să permită ca toată masa rămasă să spiraleze în gaură, vânturile magnetice pot ejecta o fracțiune substanțială din disc — până la jumătate din masă — la viteze relativiste. Această ejectare reduce masa finală a găurii negre, mutând obiectele care în mod normal s-ar fi plasat în gapul de masă către intervale de masă permise de teoria pair-instability.
Mai mult, torcțiunile magnetice transferă momentul unghiular de la discul rotativ către fluxurile magnetice și vânturile asociate, extrăgând spinul de la obiectul formându-se. Rezultatul este o legătură sistematică între forța câmpului magnetic inițial și proprietățile remnantului: câmpuri mai puternice produc găuri negre mai ușoare și cu spin mai mic, pe când câmpuri mai slabe permit remanente mai grele și cu rotire rapidă. Această relație masă–spin (mass–spin relation) oferă un mecanism alternativ, fără a apela la istorii improbabile de fuziuni repetate, pentru a reproduce parametrii deduși din GW231123.
Din punct de vedere fizic, procesul implică mecanisme familiare din astrofizica accreției: transport efectiv de moment unghiular prin stres Maxwell (componenta magnetică), convertirea energiei magnetice în energie cinetică a efluxului și posibila lansare de jeturi colimate via mecanisme de tip Blandford–Znajek sau Blandford–Payne în prezența unui disc magnetizat. În cazul stelelor foarte masive care colapsează, aceste procese operează la scări și densități extreme, dar principiile de bază rămân aceleași.
Importanța includerii fenomenelor magnetice în simulările de colaps stelar și în modelele de formare a găurilor negre nu poate fi subestimată: ele afectează masa finală, distribuția de spin și pot genera semnale electromagnetice observabile asociate procesului de formare a remnantului. Simulările au fost puse în context cu observații de populație, arătând că o fracțiune apreciabilă a stelelor masive ar putea, prin sculptarea magnetică, să producă găuri negre care, altfel, ar părea 'imposibile'.
Teste observaționale și implicații mai largi
Un aspect atractiv al scenariului cu vânturi magnetice este că face predicții testabile. Aceleași fluxuri magnetice care decupează masa din discul colapsant ar trebui să producă trăsături tranzitorii de înaltă energie — rafale scurte de raze gamma (short gamma-ray bursts) sau alte corespondente electromagnetice — atunci când se propagă și sparg învelișul stelare. Detectarea simultană a unui semnal electromagnetic scurt asociat unei fuziuni GW231123-like ar reprezenta un indiciu puternic în favoarea interpretării magnetice.
Observațiile multimessager — combinând detectoare de valuri gravitaționale (LIGO, Virgo, KAGRA), sateliți de raze gamma (Fermi GBM, Swift), și telescoape optice și radio pentru urmăriri rapide — vor juca un rol esențial. În plus, detectoarele de neutrini de mare energie (IceCube, ANTARES/KM3NeT) ar putea oferi constrângeri suplimentare asupra mecanismelor centrale, deoarece procesele jet–disc și vânturile magnetice pot produce emisii neutrino la niveluri detectabile în cazuri favorabile.
La nivel teoretic, implicarea magnetismului ca efect de prim ordin în modelele de naștere a găurilor negre sugerează câteva direcții de cercetare: includerea consecventă a transportului magnetic de moment unghiular în simulările de evoluție stellară, studii parametrice care explorează o gamă largă de câmpuri magnetice inițiale și rotații, și dezvoltarea de mape populaționale ce includ efectele MHD asupra distribuțiilor de masă și spin ale remanentelor.
Din punct de vedere al cosmologiei stelare, aceste rezultate pot influența modul în care cartografiem distribuția câmpurilor magnetice la stelele masive din epoca timpurie a Universului și cum interpretăm catalogările viitoare de fuziuni. Măsurarea sistematică a masei și spinului pentru sute sau mii de fuziuni — pe măsură ce sensibilitatea detectoarelor de valuri gravitaționale crește — ar putea dezvălui semnele proceselor magnetice și ar putea permite inferențe statistice despre proprietățile magnetice ale stelelor masive.
Pe scurt, interpretarea prin vânturi magnetice oferă o legătură naturală între fizica micro (MHD și procese de acreție) și observațiile macroscopice (formarea de găuri negre în gapul de masă și semnalele electromagnetice asociate). Aceasta face posibilă reconcilierea datelor dificil de explicat prin canalele convenționale și deschide calea către predicții care pot fi verificate prin campanii observaționale coordonate.
Perspective ale experților
„Aceste simulări arată cât de complicate pot fi, în realitate, morțile stelare,” spune dr. Mira Patel, astrofiziciană specializată în formarea obiectelor compacte. „Câmpurile magnetice nu sunt o corecție minoră aici — ele pot schimba fundamental dacă o stea lasă în urmă o gaură neagră și cât de rapid aceea se rotește. Observațional, asta ne oferă semnale clare pe care să le urmărim: mase în gap legate de intervale specifice de spin și, posibil, flash-uri de raze gamma coincidente.”
Pe măsură ce cataloagele de valuri gravitaționale se extind și urmărirea multimessenger devine mai rapidă și mai sensibilă, cercetătorii vor putea testa dacă modelul de sculptare magnetică a colapsului stelar este regula sau excepția. Confirmarea mecanismului vânturilor magnetice ar rezolva una dintre cele mai stridente probleme ridicate de GW231123 și ar modifica modul în care gândim despre actul final al celor mai masive stele.
În plus, includerea consecventă a MHD în simulările de populație ar îmbunătăți predictibilitatea modelelor și ar oferi instrumente pentru a distinge între canalele de formare: formare izolată cu magnetism puternic, fuziuni ierarhice în clustere dense, sau canale dinamice alternative. De asemenea, ar putea avea implicații pentru estimările ratei de fuziuni detectabile și pentru interpretarea distribuției observate a spinurilor și maselor în cataloagele viitoare.
Rămân provocări tehnice și deschideri pentru cercetare: obținerea unei acurateți mai mari în simulările MHD pe scări dinamice extinse, validarea parametrilor inițiali ai câmpurilor magnetice pentru stelele masive observate, și integrarea reacțiilor nucleare avansate în codurile care tratează simultan hidrodinamica, magnetismul și transportul radiației. Rezultatele actuale indică, însă, că orice model complet al nașterii găurilor negre trebuie să includă magnetismul ca ingredient central.
Sursa: sciencealert
Lasă un Comentariu