Galaxien erdiguneetan dauden zulo beltz erraldoiak berez ezingo lirateke fusionatu, baina fusionatzen dira. Zientzialariek iradokitzen dute soluzioa materia ilunaren ezohiko forma bat izan daitekeela.
Simulazio honetan, kolore distiratsuko gas korronteak ikusten dira orbitan dauden zulo beltz supermasibo pare baten inguruan. Iturria: Luciano Combi et al. (2022) ApJ 928 187
Historia kosmikoan zehar, galaxiak fusionatu eta gero egitura handiagoak sortu dira. Galaxiak fusionatzen direnean, haien erdiguneetan dauden zulo beltz supermasiboak ere fusionatzen dira eta zulo beltz are erraldoiagoa osatzen dute.
Hala ere, hainbat hamarkadatan, galdera batek astrofisikariak nahasi ditu: nola hurbildu daitezke zulo beltz supermasiboak espiralean biratzeko eta fusionatzeko adina? Kalkuluen arabera, zulo konbergenteak azken parsec-a deiturikora iristen direnean (gutxi gorabehera parsec bateko distantzia, edo 3,26 argi urte), haien aurrerapena gelditu egiten da. Teorian, etengabe orbitatu beharko lukete.
“Espiralean egoteko denborak unibertsoaren adinera irits zitezkeela uste zen”, azaldu du Stephen Taylor Vanderbilt Unibertsitateko astrofisikariak. “Jendea kezkatuta zegoen zulo beltzen fusioak ezin lortzearekin”.
Fusionatzen direlaren ebidentziak jaso dira. Iaz, izar pultsatzaileen mugimendu sotilen (pulsaren sinkronizazio matrize gisa ezagutzen dira) behaketek grabitazio uhinen hondoko burrunba erakutsi zuten unibertsoan: ondulazioak espazio-denboraren ehunean. Oso litekeena da grabitazio uhin horiek oso hurbil orbitatzen duten zulo beltz supermasiboetatik etortzea, elkarrengandik parsec bateko distantziara eta fusionatzear daudenetatik. “Hori izan zen zulo beltzen sistema binarioek azken parsec-aren arazoa gainditzen dutelaren gure lehenengo ebidentzia”, kontatu du Laura Blecha Floridako Unibertsitateko astrofisikariak.
Hortaz, nola egiten dute?
Astrofisikariek iradokizun berri bat dute: materia ilunak bi zulo beltzen une angeluarra xurgatu lezake eta haien artean hurbildu.
Materia iluna da oraindik aurkitu ez den unibertsoko materiaren % 85 izendatzeko erabiltzen den terminoa. Galaxietan eta egitura kosmikoan dituen grabitazio efektuak ikus ditzakegu, baina oraingoz ezin dugu zehaztu zer den. Materiaren forma ikusezin hori osa lezaketen partikula hipotetiko sinpleenek ez lukete lagunduko zulo beltzen fusioak ahalbidetzen. Baina uda honetan, Kanadako fisikari talde batek argudiatu zuen materia ilun auto-elkarrekintzaile izeneko zerbait konplexuago batek egin zezakeela. Partikula horiek arrastaka eraman litzakete zulo beltz supermasiboak, elkarren artetik parsec bateko distantziara uzteko adina. Azalpen hau zuzena bada, “esango dizu materia iluna ez dela uste genuen bezain sinplea”, baieztatu du Gonzalo Alonso-Álvarez Torontoko Unibertsitateko fisikari teoriko eta egileetako batek.
Gero, irailean, fisikari talde independente batek adierazi zuen materia ilun izateko hautagai batek, batzuetan materia ilun lausoa izenekoak, ere funtziona lezakeela.
Urteetan zehar, arazoaren soluzio arruntagoak ere proposatu dira. Aukera mordo horren erdian —batzuk mundutarrak, beste batzuk exotikoak—, aukera batzuk beste batzuen aurrean probatzeko moduak planteatzen ari dira zientzialariak.
“Une honetan, komunitatearen gehiengoak ia ziurtzat jotzen du azken parsec-aren arazoa konponduta dagoela”, esan du arazoaren hainbat soluzio aztertu dituen Sean McWilliams Mendebaldeko Virginiako Unibertsitateko astrofisikari teorikoak. “Galdera bakarra honako hau da: zein da soluziorik efizienteena?”.
Bi tango bat dantzatzeko
Zulo beltz txikiak —izar baten tamainako objektuak, hain trinkoak ezen grabitateak gehiegi hurbiltzen den guztia harrapatzen baitu, baita argia ere— galaxia guztietan sakabanatuta daude. Banakako izarren grabitazio kolapsoaren bidez sortzen dira. Baina galaxien erdiguneetan dauden zulo beltz supermasiboak, milaka milioi eguzki bezain astunak izan daitezkeenak, misteriotsuagoak eta eragin handiagokoak dira. Nolabait, inguratzen dituen galaxiaren eraketa eta bilakaera zuzentzen dute.
Bi galaxia fusionatzen direnean, izarrekiko, gasarekiko eta materia ilunarekiko grabitazio interakzioaren ondorioz, bi zulo beltz supermasiboak bata bestearen gainean erortzen dira poliki-poliki. 1980an, astrofisikariek lehenengo aldiz deskribatu zuten marruskadura dinamikoa izeneko prozesua. “Uste da hori dela zulo beltzak hurbiltzeko modu nagusia”, azaldu du Dan Hooper Wisconsingo Unibertsitateko (Madison) astrofisikariak.
Hala ere, puntu jakin batean (teknikoki parsec frakzio baten eta parsec gutxi batzuen artean dago, zulo beltzen masen arabera), marruskadura dinamikoak “oso eraginkorra izateari uzten dio”, azaldu du Hooperrek. Hemen, fusioan dauden galaxien erdigunean, bi zulo beltzek materiala jaten dute eta urrutira botatzen dute, zulo bat sortuz. Ondorioz, izarren eta gasaren dentsitateak behera egiten du izugarri, eta zulo beltzak nahiko hutsik dagoen espazio batean geratzen dira. Inguruan geldiarazten dituzten gauzarik gabe, elkarren inguruan orbitatu beharko lukete ia amaierarik gabe.
“Lurrak Eguzkiaren inguruan orbitatzen du eta ez gara bata bestearen kontra erortzen ari”, dio Alonso-Alvarezek, eta gauza bera gertatu beharko luke bi zulo beltzen kasuan. “Orbitan une angeluarraren kontserbazio bat dago, erortzea saihesten duena, energia hori erauzten ari den ezer ez badago behintzat”.
Materia ilun auto-elkarrrekintzaileak zeregin hori bete lezake, Alonso-Álvarezek eta bere kideek uztailean Physical Review Letters-en proposatu zuten moduan. Mota hori materia ilun hotza (materia iluneko partikula hipotetikoen motarik sinpleena, non astunak, motelak eta geldoak izango liratekeen) deritzonaren desberdina da. Materia ilun hotzak ez luke ezertan elkarreraginik izango grabitatearen bidez izan ezik, eta, beraz, zulo beltzen grabitazio eraginak ingurutik kanporatu beharko luke zulo beltzak azken parsec-era iritsi baino askoz lehenago.
Hala ere, bere buruarekin elkarreragiten duen materia iluna partikula arinek osatzen dute, eta partikula horiek gutxienez indar bat dute haien artean jarduten dutenean. Materia ilun auto-elkarrekintzaileen partikulak mahai baten gainean billar bolak bezala mugitzen direnez, ez lirateke hain erraz sakabanatuko, zulo beltzekin elkarreraginean arituko lirateke eta haiek moteldu egingo lituzkete. “Hor geratzen dira eta marruskadura sortzen dute”, jarraitu du Alonso-Álvarezek. “Likatasun motaren bat du”. Orduan, marruskadura horrek 100 milioi urte barru fusioa eragin lezake, eta, hala, azken parsec-aren arazoa konponduko luke.
Materia ilun “ultrarina” edo “lausoa” masa oso txikiak dituzten partikulek osatuko lukete, eta horiek elkartu egingo lirateke ikaragarrizko uhinak sortzeko. Partikula horiek galaxia erdigunean ere pilatuko lirateke, eta marruskadura izango lukete zulo beltzekin; horri esker, materia ilun lausoak “modu efizientean izango luke bere une angeluarra eta energia orbitala”, azaldu du Jae-Weon Lee Hego Koreako Jungwon Unibertsitateko kosmologoak eta ideia deskribatzen duen iraileko Physics Letters B-n argitaratutako artikulu baten egilekideak. Zulo beltzen eraginez, materia ilun horrek kanpai batek bezala egingo luke dar-dar, sakabanatu beharrean.
Occamen labana
Jende guztiak ez du uste hain fisika exotikoa erabili behar dugunik zulo beltz supermasiboak nola fusionatzen diren azaltzeko. “Ez nuke esango materia ilun auto-elkarrekintzailea behar dugunik”, baieztatu du Priyamvada Natarajan Yaleko Unibertsitateko astrofisikari teorikoak.
Beste aukera bat da izarrak ez gelditzea fusionatzen ari diren zulo beltzetan eta horiek lotzeko behar adinako une angeluarra ateratzea. Agian izarrak ausaz jaurtitzen dira zulo beltzen norabidean galaxiaren beste alde batzuetatik, beste izar batzuekiko elkarrekintzaren bidez. “Horietako izar asko badituzu, erdiko bi zulo beltz supermasiboetara hurbiltzen direnak, orduan gero eta une angeluar gehiago atera dezakezu”, adierazi du Fabio Pacucci Harvardeko Unibertsitateko astrofisikari teorikoak.
Hala ere, ereduek erakutsi dute zaila dela nahikoa izar zulo beltzetarantz sakabanatzea azken parsec-aren arazoa konpontzeko.
Beste aukera bat da zulo beltz bakoitzak inguruan gas disko txiki bat izatea, eta disko horiek zuloek zulatutako eremu hutsa inguratzen duen disko zabalago baten materiala xurgatzea. “Inguruko diskoak disko zabalagotik elikatzen dira”, azaldu du Taylorrek, eta horrek, era berean, horien energia orbitala disko zabalagorantz iragaz daitekeela esan nahi du. “Soluzio oso efizientea dirudi”, baieztatu du Natarajanek. “Gas asko dago eskuragarri”.
Urtarrilean, Blechak eta bere kideek soluzioa sistemako hirugarren zulo beltz batean egon zitekeelako ideia ikertu zuten. Bi zulo beltz gelditu diren kasu batzuetan, beste galaxia bat has liteke lehenengo biekin fusionatzen eta zulo beltz gehigarri bat ekarriko luke. «Hiru gorputzen arteko elkarreragin handia egon daiteke», azaldu du Blechak. «Energia ken dezake eta, neurri handi batean, fusioaren denbora eskala murriztu». Egoera batzuetan, hiru zuloetatik arinena kanporatu egiten da, baina beste batzuetan hirurak fusionatu egiten dira.
Frogak etorkizunean
Orain zeregina da zehaztea zein den soluzio zuzena, edo prozesu asko dauden jokoan.
Alonso-Álvarezek espero du pulsaren sinkronizazio matrizearen hurrengo datuetan materia ilun auto-elkarrekintzailearen seinale bat bilatzea, bere ideia frogatu ahal izateko. Zulo beltzak azken parsec-atik haratago hurbiltzen direnean, une angeluarra galtzen dute grabitazio uhinak igortzen dituztenean. Baina materia ilun auto-elkarrekintzailea jokoan badago, orduan ikusi beharko genuke energiaren zati bat xurgatzen duela parsec-aren mugatik hurbil. Horrek, era berean, grabitazio uhin ez hain energetikoak sortuko lituzke, azaldu du Alonso-Álvarezek.
Hai-Bo Yu Kaliforniako Unibertsitateko (Riverside) partikula fisikariak eta materia ilun auto-elkarrekintzailearen defendatzaileak dio ideia onargarria dela. “Grabitazio uhinen fisikatik abiatuta materia ilunaren ezaugarri mikroskopikoak bilatzeko bide bat da”, dio. “Uste dut zoragarria dela”.
Europako Espazio Agentziaren LISA (Laser Interferometer Space Antenna) espazio zundak (grabitazio uhinen behatokia, 2035erako abiaraziko dena) are erantzun gehiago eman liezazkiguke. LISAk azken egunetan zulo beltz supermasiboen fusioak igorritako grabitazio uhin handiak jasoko ditu. “LISArekin zulo beltz supermasiboen fusioa ikusiko dugu”, esan du Pacuccik. Seinale horren izaerak “dezelerazio prozesua erakusten duten ezaugarri bereziak” adieraz litzake eta azken parsecaren arazoa konpondu.
Jatorrizko artikulua:
Jonathan O’Callaghan (2024). How Do Merging Supermassive Black Holes Pass the Final Parsec?, Quanta Magazine, 2024ko urriaren 23a. Quanta Magazine aldizkariaren baimenarekin berrinprimatua.