2016 februárjában a Lézer-interferométer gravitációs hullámok megfigyelőközpontjában (LIGO) dolgozó tudósok története történt, amikor bejelentették a gravitációs hullámok első észlelését. Ez a felfedezés nemcsak megerősítette az Einstein általános relativitáselméletének évszázados előrejelzését, hanem megerősítette a csillagközi bináris fekete lyukak létezését is - amelyek összeolvadtak, hogy a jelet előállítsák.
És most, az MIT asztrofizikus Carl Rodriguez vezetésével működő nemzetközi csapat tanulmányt készített, amely azt sugallja, hogy a fekete lyukak többször is összeolvadhatnak. Tanulmányuk szerint ezek a „második generációs fúziók” valószínűleg a gömbös klaszterekben fordulnak elő, azok a nagy és kompakt csillagcsoportok, amelyek tipikusan a galaxisok szélén keringnek - és amelyek sűrűen tele vannak több százezer-millió csillaggal.
A poszt-newtoni dinamika a sűrű csillagfürtökben: erősen ekscentrikus, erősen forgó és ismétlődő bináris fekete lyukak egyesülése című tanulmány nemrégiben jelent meg a Fizikai áttekintő levelek. A tanulmányt Carl Rodriguez vezette, aki az MIT Fizikai Tanszékének és a Kavli Asztrofizikai és Űrkutatási Intézetének Pappalardo munkatársa volt, és tagjai voltak az Űrtudományi Intézet és az Astrofizika Interdiszciplináris Kutatási és Kutatási Központjának (CIERA).
Ahogyan Carl Rodriguez egy nemrégiben közzétett MIT sajtóközleményben kifejtette:
„Úgy gondoljuk, hogy ezek a klaszterek száz-ezer fekete lyukkal alakultak ki, amelyek gyorsan lemerültek a központban. Az ilyen típusú klaszterek alapvetően a fekete lyukú binárisok gyárai, ahol annyi fekete lyuk van lógva egy kis területrészben, hogy két fekete lyuk összeolvadhat, és egy masszív fekete lyukat hozhat létre. Akkor az új fekete lyuk újabb társat találhat, és újra összeolvadhat. ”
A földgömb klaszterek már azóta is lenyűgöző források, amikor az csillagászok először megfigyelték őket a 17. században. Ezek a gömbös csillaggyűjtemények az univerzum legrégebbi ismert csillagai közé tartoznak, és a legtöbb galaxisban megtalálhatók. A keringő galaxis méretétől és típusától függően a klaszterek száma változik: az elliptikus galaxisok több tízezren helyezkednek el, míg a Tejúthoz hasonló galaxisoknak több mint 150 van.
Rodriguez évek óta vizsgálja a fekete lyukak viselkedését a gömb alakú klaszterekben, hogy megvizsgálja, különböznek-e a csillagok a csillagokkal, mint a fekete lyukak, amelyek az űrben kevésbé sűrűn lakott területeket foglalnak el. Ennek a hipotézisnek a kipróbálására Rodriguez és kollégái a Quest szuperszámítógépet használták az északnyugati egyetemen, hogy szimulációkat végezzenek 24 csillagfürtön.
Ezeknek a csoportoknak a mérete 200 000 és 2 millió csillag között volt, és különböző sűrűségű és fémes összetételű tartományokat fedtek le. A szimulációk modellezték az egyes csillagok fejlődését ezekben a klaszterekben 12 milliárd év alatt. Ez az időtartam elég volt ahhoz, hogy kövesse ezeket a csillagokat, amikor kölcsönhatásba léptek egymással, és végül fekete lyukakat képeztek.
A szimulációk modellezték a fekete lyukak kialakulását és pályáit is, miután kialakultak. Ahogy Rodriguez kifejtette:
„A csinos dolog, mivel ezekben a klaszterekben a fekete lyukak a legtömegebb tárgyak, a központba süllyednek, ahol elég nagy a fekete lyukak sűrűsége, hogy bináris fájlokat képezzenek. A bináris fekete lyukak alapvetően olyanok, mint az óriási célok, amelyek lógnak a klaszterben, és amikor más fekete lyukakat vagy csillagokat dobsz rájuk, ezen őrült kaotikus találkozókon mennek keresztül.
Míg a korábbi szimulációk Newton fizikáján alapultak, a csapat úgy döntött, hogy Einstein relativista hatásait hozzáadja a globális klaszterek szimulációjához. Ennek oka az volt, hogy a gravitációs hullámokat nem Newton elméletei, hanem Einstein általános relativitáselmélete jósolta meg. Amint Rodriguez rámutatott, ez lehetővé tette számukra, hogy megfigyeljék, milyen szerepet játszanak a gravitációs hullámok:
„Amit az emberek a múltban tettek, az tisztán newtoni problémaként kezelték ezt. Newton gravitációs elmélete az esetek 99,9% -ában működik. Az a néhány eset, amikor ez nem működik, akkor lehet, ha két fekete lyuk nagyon szorosan egymás felé siklik, ami általában nem történik meg a legtöbb galaxisban ... Einstein általános relativitáselméletének elméletében, ahol gravitációs hullámokat tudok kibocsátani, akkor amikor az egyik fekete lyuk áthalad a másik közelében, valójában egy apró gravitációs hullám impulzusát bocsáthatja ki. Ez kivonhat elegendő energiát a rendszerből, hogy a két fekete lyuk ténylegesen megkötve legyen, majd gyorsan összeolvadnak. "
Megfigyelték, hogy a csillagfürtökben a fekete lyukak összeolvadnak, hogy új fekete lyukakat hozzanak létre. A korábbi szimulációkban a newtoni gravitáció azt jósolta, hogy a legtöbb bináris fekete lyukat ki tudják dobni a klaszterből, mielőtt összeolvadnának. A relativista hatások figyelembevételével azonban Rodriguez és csapata úgy találta, hogy a bináris fekete lyukak közel fele összeolvad, és tömegebbekké válnak.
Ahogyan Rodriguez elmagyarázta, a különbség az egyesültek és a kirúgták között megpördült:
"Ha a két fekete lyuk összefonódik, akkor az általuk létrehozott fekete lyuk gravitációs hullámokat bocsát ki egyetlen előnyben részesített irányban, mint egy rakéta, és létrehoz egy új fekete lyukat, amelyek másodpercenként akár 5000 kilométer sebességgel tudnak lőni - tehát, őrülten gyors. Alig néhány tíz-száz kilométer / perc rúgás szükséges ahhoz, hogy elkerülje ezen klaszterek egyikét. "
Ez felvetett egy másik érdekes tényt a korábbi szimulációkkal kapcsolatban, ahol a csillagászok úgy gondolták, hogy bármilyen fekete lyuk egyesülésének eredményét ki lehet dobni a klaszterből, mivel feltételezik, hogy a legtöbb fekete lyuk gyorsan forog. A LIGO-tól nemrégiben kapott gravitációs hullámmérések azonban ellentmondásnak tűnnek, amely csak az alacsony fordulatú bináris fekete lyukak összeolvadását fedezte fel.
Ez a feltételezés azonban látszólag ellentmond a LIGO méréseinek, amelyek eddig csak alacsony fordulatú bináris fekete lyukakat fedeztek fel. Ennek következményeinek tesztelésére Rodriguez és munkatársai csökkentették a fekete lyukak centrifugálási sebességét szimulációikban. Azt találták, hogy a klaszterek bináris fekete lyukainak csaknem 20% -ánál volt legalább egy fekete lyuk, amely 50 és 130 napenergiát mutatott.
Lényegében ez azt jelentette, hogy ezek „második generációs” fekete lyukak voltak, mivel a tudósok úgy vélik, hogy ezt a tömeget nem lehet elérni egy csillagból képződött fekete lyukkal. Előretekintve Rodriguez és csapata arra számít, hogy ha a LIGO egy tárgyt észlel ezen a tartományon belüli tömeggel, akkor valószínűleg a fekete lyukak sűrű csillagfürtbe történő összeolvadása, nem pedig egyetlen csillag eredménye.
"Ha elég sokáig várunk, akkor a LIGO végre lát valamit, ami csak ezekből a csillagcsoportokból származhatott, mert nagyobb lesz, mint bármi, amit egyetlen csillagból meg lehet szerezni" - mondja Rodriguez. Társszerzőimmel és én egy pár bináris csillagképződést tanulmányozó emberrel szemben azt fogadom, hogy az első 100 LIGO-felderítés során a LIGO felismer valamit ezen a felső tömegközön belül. Kapok egy szép üveg bort, ha ez igaz. "
A gravitációs hullámok észlelése történelmi eredmény volt, és lehetővé tette a csillagászok számára, hogy új és izgalmas kutatásokat végezzenek. A tudósok már most új betekintést nyernek a fekete lyukakba az egyesülések melléktermékeinek tanulmányozásával. Az elkövetkező években várhatóan sokkal többet fog megtanulni a módszerek fejlesztése és a megfigyelőközpontok közötti fokozott együttműködésnek köszönhetően.
