2023. november 23-án a két amerikai LIGO-detektor olyan gravitációs hullámot észlelt, amely azonnal komoly fejtörést okozott az asztrofizikusoknak. A GW231123 jelű esemény első elemzése szerint két rendkívül nagy tömegű fekete lyuk olvadt össze: az egyik körülbelül 137 naptömegű, a másik mintegy 101 naptömegű lehetett. A rendszer teljes tömegét a különböző modellek nagyjából 190–265 naptömeg közé tették, ezzel ez lett a LIGO által addig észlelt legnagyobb tömegű kettős fekete lyuk-összeolvadás.
A probléma nem egyszerűen az volt, hogy ezek a fekete lyukak nagyok. Tömegük éppen abba a tartományba esett, ahol a csillagfejlődési modellek szerint viszonylag kevés fekete lyuknak kellene létrejönnie. A nagyon nagy tömegű csillagok magjában ugyanis a párkeltési instabilitás olyan erőssé válhat, hogy a csillag jelentős tömeget veszít, vagy egy úgynevezett párinstabilitási szupernóvában teljesen szétszakad, anélkül hogy fekete lyukat hagyna maga után. Emiatt nagyjából a több tíz és száz naptömeg közötti tartomány egy részét gyakran párinstabilitási tömegrésnek nevezik. A GW231123 két komponense közül legalább az egyik mélyen ebbe a nehezen magyarázható tartományba került.
Az esemény még különösebbnek látszott azért is, mert az első elemzések mindkét fekete lyuk esetében rendkívül gyors forgást jeleztek: a nagyobb komponens dimenzió nélküli spinparamétere körülbelül 0,9, a kisebbé pedig körülbelül 0,8 lehetett, bár jelentős bizonytalansággal. Egy ennyire nagy tömegű és gyorsan forgó kettős rendszer kialakulásához már összetett fejlődési történetre lenne szükség, például korábbi fekete lyuk-összeolvadások sorozatára.
Most azonban felmerült egy másik lehetőség: talán maga a gravitációs hullám torzult el út közben.
A gravitációs lencsézés legtöbbször a fény kapcsán kerül szóba. Einstein általános relativitáselmélete szerint a tömeg meggörbíti a téridőt, ezért egy távoli galaxisból vagy csillagból érkező fény útja eltérülhet, ha közben egy másik nagy tömegű objektum közelében halad el. A háttérforrás felnagyítva, eltorzítva, esetenként többszörözve jelenhet meg.
Ugyanez történhet a gravitációs hullámokkal is. Ezek sem valamilyen merev, változatlan háttéren terjednek, hanem magának a téridőnek a hullámai, ezért egy előttük elhelyezkedő nagy tömegű objektum a terjedésüket is módosíthatja. Egy gravitációs lencse felerősítheti a jelet, egy kisebb méretű lencse pedig diffrakciót és interferenciát idézhet elő benne.
Srashti Goyal, Hector Villarrubia-Rojo és Miguel Zumalacárregui ezért újraelemezte a GW231123 adatait egy olyan modellel, amelyben egyszerre szerepel egy nagyobb gravitációs tér – például egy galaxisé – és egy kisebb, kompakt objektum, amely mikrolencseként viselkedik. Ez fontos különbség a hagyományos lencsézési modellekhez képest: a nagyobb struktúra jelentősen felerősítheti a jelet, a kisebb objektum pedig frekvenciafüggő torzulásokat hozhat létre a hullámban.
Az eredmény különösen érdekes. Ha a GW231123 valóban gravitációsan lencsézett esemény volt, akkor a két fekete lyuk együttes valódi tömege nem 190–265 naptömeg, hanem körülbelül 100–180 naptömeg lehetett, a valószínű érték nagyjából 140 naptömeg körül adódik. A fekete lyukak forgási sebességének sem kellene olyan szélsőségesnek lennie, mint az eredeti elemzés sugallta.
Elsőre furcsának hangzik, hogy egy gravitációs lencse hogyan tehet egy fekete lyukat „nehezebbé”, hiszen maga a lencse természetesen nem ad hozzá tömeget a rendszerhez. A magyarázat abban rejlik, hogyan következtetünk a gravitációs hullám forrásának tulajdonságaira.
A detektorok a jel amplitúdójából többek között a forrás távolságát becsülik meg. Ha azonban egy gravitációs lencse felerősíti a hullámot, akkor a rendszer közelebbinek látszik, mint amilyen valójában. A hibás távolság miatt a kozmológiai vöröseltolódás becslése is megváltozik, ez pedig közvetlenül befolyásolja a fekete lyukak forrásrendszerben számított tömegét. Így egy távolabbi és kisebb tömegű összeolvadás úgy jelenhet meg az adatokban, mintha közelebb történt volna, és nagyobb fekete lyukak vettek volna részt benne.
Az új elemzés szerint az esemény valójában 0,7 és 2 közötti vöröseltolódásnál történhetett, tehát jóval távolabb, mint amit a lencsézés nélküli értelmezés sugallt.
Maga a feltételezett mikrolencse sem hétköznapi objektum. A számítások körülbelül 190–850 naptömegű kompakt lencsét feltételeznek. Ez akár egy közepes tömegű fekete lyuk is lehetne, de a szerzők más lehetőségeket – például sűrű csillaghalmazhoz vagy akár sötétanyag-struktúrához kapcsolódó objektumot – is vizsgálnak. Az ilyen lencsék azonban várhatóan nagyon ritkák, ezért éppen ez a hipotézis egyik gyenge pontja.
A kutatás tehát nem bizonyította, hogy GW231123 gravitációsan lencsézett jel volt. A szerzők elemzésében a lencsézett modell kedvezőbbnek bizonyult, és az eredményhez tartozó téves riasztási valószínűséget 1 százalék alattira becsülték, ami körülbelül 2,6 szigmás jelentőségnek felel meg. Ez érdekes jelzés, de messze van attól az 5 szigmás szinttől, amelyet a fizikában általában egy új jelenség felfedezésének erős bizonyítékaként kezelnek.
Ráadásul más kutatócsoportok eltérő következtetésekre jutottak. Egy modellfüggetlen elemzés például nem talált erős bizonyítékot mikrolencsézésre, részben azért, mert az ilyen rövid, nagy tömegű fekete lyuk-összeolvadások hullámformáinak modellezési bizonytalanságai még elég nagyok ahhoz, hogy elfedjék a lencsézés finom jeleit. Egy másik munka pedig arra mutatott rá, hogy az adatok akár két egymást részben átfedő gravitációshullám-jellel is magyarázhatók.
Ez teszi a GW231123 eseményt rendkivül érdekessé. Nem egyszerűen arról folyik a vita, hogyan keletkezhettek szokatlanul nagy fekete lyukak, hanem a nagy kérdés az, hogy mennyire biztosan tudjuk visszafejteni egy gravitációs hullámból azt, ami több milliárd évvel korábban történt.
Ha a lencsézési értelmezés helyes, akkor a GW231123 akár az első igazán meggyőző példák egyike lehet arra, hogy a gravitációs hullámok útjuk során mérhetően diffraktálódnak és felerősödnek a görbült téridőben. A kutatók számításai szerint ebben az esetben körülbelül 55 százalékos esély van arra is, hogy a nagyobb gravitációs lencse ugyanarról az összeolvadásról egy második, időben eltolódott képet – vagyis egy újabb gravitációshullám-jelet – hozzon létre. Ha ilyet sikerülne azonosítani, az rendkívül erős bizonyíték lenne.
A történetben van ez az elég kényelmetlen duplacsvar: lehet, hogy a GW231123 nem azt bizonyítja, hogy a csillagfejlődésről alkotott elképzeléseink alapvetően hibásak, mert az is elképzelhető, hogy maga az Univerzum nagyította fel az eseményt, és a köztünk és az összeolvadó fekete lyukak között elhelyezkedő anyag görbítette el annyira a téridőt, hogy egy viszonylag kevésbé szélsőséges fekete lyuk-pár kozmikus óriásnak látszott. Ebben az esetben a gravitációs hullámok már nemcsak azt árulnák el, hogy mi történt a forrásnál, hanem az útjukba eső, akár teljesen láthatatlan anyagról is információt hordoznának. Ez pedig a gravitációshullám-csillagászat egyik következő nagy lehetősége lehet: fekete lyukak és összeolvadások észlelése mellett a köztünk húzódó Univerzum tömegeloszlásának feltérképezése is a lábunk elé hull.
Források: The Astrophysical Journal Letters, Goyal, Villarrubia-Rojo & Zumalacárregui: Across the Universe: GW231123 as a magnified and diffracted black hole merger; LIGO–Virgo–KAGRA; Albert Einstein Institute.
