EN AĞIR KARA DELİK ÇARPIŞMASI BİR ÇEMBER ÜZERİNDE GERÇEKLEŞMEDİ

23 Kasım 2023’te Hanford ve Livingston’daki LIGO gözlemevleri, bugüne kadar bildirilen en kütleli iki kara delik birleşmesi olan GW231123’ü kaydetti. Dairesel bir yörünge varsayan standart analiz, her ikisi de son derece hızlı dönen, yaklaşık Güneş kütlesinin 137 ve 101 katı kütleler verdi.

Bu sayılar sorunlu. Küçük kara delik, bir yıldızın sıradan çöküşünün üretmekte zorlandığı bir kütle aralığı olan, çift kararsızlığı kütle boşluğu (pair-instability mass gap) denen bölgeye düşüyor. Bunu aşmanın bir yolu hiyerarşik birleşme: yoğun bir yıldız kümesi gibi kalabalık bir ortamda, bir birleşmenin kalıntısı ortalıkta kalır ve daha sonra yeniden birleşir. Makale yararlı bir ipucuna da dikkat çekiyor: benzer kütleli ve az dönen iki kara delik birleştiğinde, kalıntı tipik olarak yaklaşık 0,7 değerinde döner; bu, fizikçilerin kullandığı ve 1’e yakın değerlerin neredeyse uç düzeyde bir dönüş anlamına geldiği boyutsuz ölçektir.

Yalnızca birkaç döngü

GW231123 kısaydı: son dalıştan önce ölçülebilen yalnızca birkaç dalga döngüsü. Bu, yorumunu dalga biçimi modeline karşı çok hassas kılıyor. Bir özelliği belirlemek özellikle zor: dışmerkezlik (eccentricity), yani yörüngenin ne kadar oval olduğu. Kütleçekim dalgası yaymak, yaşlı ve yalıtılmış çiftlerin yörüngelerini yuvarlaklaştırma eğilimindedir; ama yoğun ortamlardaki yakın karşılaşmalar bir miktar dışmerkezlik bırakabilir. Yalnızca birkaç döngü boyunca oval bir yörünge, dönen kara deliklerin yalpalamasını taklit edebilir. Bir model dışmerkezliği dışarıda bırakırsa, dönüşler onun izini soğurabilir.

Daha aşağıdan başlamak, daha fazlasını görmek

Wuhan Üniversitesi’nden Baoxiang Wang ve Tao Yang, Pekin Normal Üniversitesi, Potsdam’daki Max Planck Kütleçekim Fiziği Enstitüsü ve Ningbo Üniversitesi’nden meslektaşlarıyla birlikte, kamuya açık verileri hem dışmerkezliğe hem de presesyon yapan dönüşlere izin veren bir dalga biçimi modeliyle yeniden analiz etti. Temel fark: kamuya açık verileri bir aksaklıktan (glitch) temizlenmiş olan Hanford dedektörü için 20 yerine 11 hertzden başladılar. Dışmerkezlik düşük frekanslarda daha büyüktür, bu yüzden sinyalin bu erken kısmı en çok önem taşır.

• Yörüngenin dışmerkezliği, 5,5 hertzlik bir frekansta tanımlanmış olarak 0,34 çıkıyor.
• Dışmerkez model 10,2’lik bir Bayes faktörüyle tercih ediliyor: veriler oval bir yörüngeyle, dairesel bir yörüngeye göre yaklaşık on kat daha iyi açıklanıyor.
• Önceki çalışmalar gibi 20 hertzden başladıklarında ise az dışmerkezlik buluyorlar — bu çalışmalarla uyumlu olarak.

Bunu sınamak için oval yörüngeli sahte bir GW231123 oluşturup aynı şekilde analiz ettiler. Sahte sinyal gerçek olayla tıpatıp aynı davrandı: 11 hertzden itibaren açıkça dışmerkez, 20 hertzden itibaren çok daha az. Çok yukarıdan başlamak oval bir yörüngeyi gizleyebilir.

Dönüş bilmecesi gevşiyor

Dışmerkezliğe izin vermek en çok küçük kara deliği değiştiriyor. Dönüşü, dairesel analizdeki 0,90’dan yaklaşık 0,74’e iniyor; bu, daha önceki bir birleşmenin kalıntısı için beklenen 0,7’ye yakın. Sahte sinyal de aynı etkiyi gösteriyor: dairesel olarak analiz edildiğinde, küçük kara deliği gerçekte olduğundan daha hızlı dönüyor görünüyor.

Büyük kara delik her iki durumda da hızlı dönmeye devam ediyor ve kütlesi basit bir ikinci nesil kökene pek uymuyor. Dolayısıyla iki kara deliğin farklı geçmişleri olabilir: küçük olan muhtemelen daha önceki iki kara deliğin çocuğu, büyük olan ise başka bir yolla oluşmuş. Görüş hattı boyunca bir kütleçekim merceği olasılığını eklemek dışmerkez sonucu değiştirmiyor.

Neyi değiştiriyor

Önceki çalışmalar, çift kararsızlığı kütle boşluğunun üst sınırını belirlemek için GW231123’ün küçük kara deliğini kullanmıştı. Yazarlara göre, o kara delik kendisi bir birleşmenin ürünüyse, kütlesi tek başına bu sınırı belirleyemez. 10’luk bir Bayes faktörü bir kanıttan çok bir ipucudur — yazarlar da gerçekten dışmerkez sinyallerin, sinyal kısa olduğunda her zaman güçlü tercihler vermediğini belirtiyor. Bir popülasyon sınırı birkaç alışılmadık olaya dayandığında, diye sonuca varıyorlar, bu olayların arkasındaki dalga biçimi varsayımları doğrudan önem taşır.