W lutym 2016 r. Naukowcy pracujący dla Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) zapisali się w historii, kiedy ogłosili pierwsze w historii wykrywanie fal grawitacyjnych. Odkrycie to nie tylko potwierdziło stuletnią prognozę teorii ogólnej teorii względności Einsteina, ale także potwierdziło istnienie gwiezdnych binarnych czarnych dziur - które połączyły się, aby wytworzyć sygnał.
A teraz międzynarodowy zespół kierowany przez astrofizyka MIT Carla Rodrigueza opracował badanie, które sugeruje, że czarne dziury mogą się łączyć wiele razy. Według ich badań owe „połączenia drugiej generacji” prawdopodobnie występują w gromadach kulistych, dużych i zwartych gromadach gwiazdowych, które zwykle krążą wokół krawędzi galaktyk - i które są gęsto upakowane setkami tysięcy do milionów gwiazd.
Badanie, zatytułowane „Post-newtonowska dynamika w gęstych gromadach gwiazd: wysoce ekscentryczny, wysoce wirujący i powtarzające się binarne połączenia czarnych dziur”, niedawno ukazało się w Listy z przeglądu fizycznego. Badanie było prowadzone przez Carla Rodrigueza, członka Pappalardo z Departamentu Fizyki MIT oraz Instytutu Astrofizyki i Badań Kosmicznych Kavli, i obejmowało członków Instytutu Nauk Kosmicznych oraz Centrum Interdyscyplinarnych Badań i Badań Astrofizyki (CIERA).
Jak wyjaśnił Carl Rodriguez w niedawnej informacji prasowej MIT:
„Uważamy, że gromady te utworzyły się z setek do tysięcy czarnych dziur, które szybko zapadły się w centrum. Tego rodzaju klastry to przede wszystkim fabryki plików binarnych z czarnymi dziurami, w których masz tak wiele czarnych dziur wiszących w małym obszarze przestrzeni, że dwie czarne dziury mogłyby się połączyć i stworzyć bardziej masywną czarną dziurę. Wtedy ta nowa czarna dziura może znaleźć innego towarzysza i połączyć się ponownie. ”
Gromady kuliste są źródłem fascynacji, odkąd astronomowie po raz pierwszy zaobserwowali je w XVII wieku. Te kuliste kolekcje gwiazd należą do najstarszych znanych gwiazd we Wszechświecie i można je znaleźć w większości galaktyk. W zależności od wielkości i rodzaju galaktyki, którą krążą, liczba gromad jest różna, z galaktykami eliptycznymi mieszczącymi dziesiątki tysięcy, podczas gdy galaktyki takie jak Droga Mleczna mają ponad 150.
Od lat Rodriguez bada zachowanie czarnych dziur w gromadach kulistych, aby sprawdzić, czy oddziałują one z ich gwiazdami inaczej niż czarne dziury, które zajmują mniej gęsto zaludnione regiony w przestrzeni. Aby przetestować tę hipotezę, Rodriguez i jego koledzy wykorzystali superkomputer Quest na Northwestern University do przeprowadzenia symulacji na 24 gromadach gwiazdowych.
Gromady te miały wielkość od 200 000 do 2 milionów gwiazd i obejmowały szereg różnych gęstości i kompozycji metalicznych. Symulacje modelowały ewolucję poszczególnych gwiazd w tych gromadach w ciągu 12 miliardów lat. Ten okres czasu wystarczył, aby podążać za tymi gwiazdami, gdy wchodziły one w interakcje ze sobą i ostatecznie tworzyły czarne dziury.
Symulacje modelowały również ewolucję i trajektorie czarnych dziur po ich utworzeniu. Jak wyjaśnił Rodriguez:
„Fajne jest to, że ponieważ czarne dziury są najbardziej masywnymi obiektami w tych skupiskach, zapadają się na środek, gdzie otrzymujesz wystarczająco dużą gęstość czarnych dziur, aby utworzyć układy binarne. Binarne czarne dziury są w zasadzie jak wielkie cele wiszące w gromadzie, a kiedy rzucasz w nie innymi czarnymi dziurami lub gwiazdami, przechodzą one szalone chaotyczne spotkania. ”
Podczas gdy poprzednie symulacje były oparte na fizyce Newtona, zespół postanowił dodać relatywistyczne efekty Einsteina do swoich symulacji gromad kulistych. Wynika to z faktu, że fale grawitacyjne nie były przewidywane przez teorie Newtona, ale przez teorię ogólnej teorii względności Einsteina. Jak wskazał Rodriguez, pozwoliło im to zobaczyć, jak ważną rolę odgrywają fale grawitacyjne:
„W przeszłości ludzie traktowali to jako problem czysto newtonowski. Teoria grawitacji Newtona działa w 99,9 procentach wszystkich przypadków. Nieliczne przypadki, w których to nie działa, mogą mieć miejsce, gdy bardzo blisko siebie wirują dwie czarne dziury, co zwykle nie zdarza się w większości galaktyk… W teorii ogólnej teorii względności Einsteina, w której mogę emitować fale grawitacyjne, kiedy jedna czarna dziura przechodzi w pobliżu drugiej, może faktycznie emitować niewielki puls fal grawitacyjnych. Może to odjąć wystarczającą ilość energii od systemu, aby dwie czarne dziury faktycznie się związały, a następnie szybko się połączą. ”
Zauważyli, że wewnątrz gromad gwiazdowych czarne dziury łączą się ze sobą, tworząc nowe czarne dziury. W poprzednich symulacjach grawitacja Newtona przewidywała, że większość podwójnych czarnych dziur zostanie wyrzucona z gromady, zanim będą mogły się połączyć. Ale biorąc pod uwagę efekty relatywistyczne, Rodriguez i jego zespół odkryli, że prawie połowa binarnych czarnych dziur połączyła się, tworząc bardziej masywne.
Jak wyjaśnił Rodriguez, różnica między tymi, które się połączyły, a tymi, które zostały wyrzucone, sprowadzała się do rotacji:
„Jeśli dwie czarne dziury wirują podczas łączenia, czarna dziura, którą tworzą, emituje fale grawitacyjne w jednym preferowanym kierunku, takim jak rakieta, tworząc nową czarną dziurę, która może wystrzelić z prędkością 5000 km na sekundę - więc niesamowicie szybko. Wystarczy jeden od kilkudziesięciu do stu kilometrów na sekundę, by uciec przed jednym z tych klastrów. ”
Podniosło to kolejny interesujący fakt na temat poprzednich symulacji, w których astronomowie wierzyli, że produkt dowolnego połączenia czarnej dziury zostanie wyrzucony z gromady, ponieważ zakłada się, że większość czarnych dziur szybko się obraca. Jednak pomiary fali grawitacyjnej ostatnio uzyskane z LIGO wydają się temu zaprzeczać, co wykryło jedynie połączenia podwójnych czarnych dziur o niskich obrotach.
To założenie wydaje się jednak przeczyć pomiarom przeprowadzonym przez LIGO, który do tej pory wykrył tylko podwójne czarne dziury o niskich obrotach. Aby przetestować implikacje tego, Rodriguez i jego koledzy zmniejszyli prędkości wirowania czarnych dziur w swoich symulacjach. Odkryli, że prawie 20% podwójnych czarnych dziur ze skupisk ma co najmniej jedną czarną dziurę w przedziale od 50 do 130 mas Słońca.
Zasadniczo oznaczało to, że były to czarne dziury „drugiej generacji”, ponieważ naukowcy uważają, że tej masy nie można osiągnąć za pomocą czarnej dziury utworzonej z jednej gwiazdy. Patrząc w przyszłość, Rodriguez i jego zespół przewidują, że jeśli LIGO wykryje obiekt o masie w tym zakresie, prawdopodobnie jest to wynikiem połączenia czarnych dziur w gęstej gromadzie gwiezdnej, a nie pojedynczej gwiazdy.
„Jeśli poczekamy wystarczająco długo, w końcu LIGO zobaczy coś, co mogło pochodzić tylko z tych gromad gwiazd, ponieważ byłoby większe niż wszystko, co można uzyskać od jednej gwiazdy”, mówi Rodriguez. „Moi współautorzy i ja stawiamy zakład przeciwko kilku osobom badającym tworzenie się gwiazd podwójnych, które w ciągu pierwszych 100 detekcji LIGO LIGO wykryje coś w obrębie górnej luki masowej. Dostaję niezłą butelkę wina, jeśli to prawda. ”
Wykrywanie fal grawitacyjnych było historycznym osiągnięciem, które umożliwiło astronomom prowadzenie nowych i ekscytujących badań. Już teraz naukowcy uzyskują nowy wgląd w czarne dziury, badając produkt uboczny ich fuzji. W nadchodzących latach możemy spodziewać się znacznie więcej dzięki ulepszonym metodom i zwiększonej współpracy między obserwatoriami.
