U veljače 2016 , znanstvenici koji rade za Laserski interferometar Gravitacijsko-valni opservatorij (LIGO) ušao je u povijest kada su najavili prvo otkrivanje gravitacijski valovi . Ne samo da je ovo otkriće potvrdilo stoljetnu prognozu koju je napravio Einsteinova teorija opće relativnosti , također je potvrdio postojanje zvjezdanih binarnih crnih rupa – koje su se spojile da bi proizvele signal.
A sada je producirao međunarodni tim na čelu s astrofizičarem MIT-a Carlom Rodriguezom studija što sugerira da se crne rupe mogu spajati više puta. Prema njihovoj studiji, ova 'spajanja druge generacije' vjerojatno se događaju unutar kuglastih nakupina, velikih i kompaktnih zvjezdanih nakupina koje obično kruže na rubovima galaksija - i koje su gusto prepune stotina tisuća do milijuna zvijezda.
Studija pod naslovom “Post-Newtonova dinamika u gustim zvjezdanim jatama: vrlo ekscentrična, jako rotirajuća i ponovljena spajanja binarnih crnih rupa “, nedavno se pojavio uPisma o fizičkom pregledu. Studiju je vodio Carl Rodriguez, Pappalardo član na MIT-ovom Odjelu za fiziku i Kavli institut za astrofiziku i svemirska istraživanja , a uključivali su i članove iz Institut za svemirske znanosti i Centar za interdisciplinarna istraživanja i istraživanja u astrofizici (ZATVORITI).
Kao što je Carl Rodriguez objasnio u nedavnom MIT-u priopćenje za javnost :
“Mislimo da su se ti nakupini formirali od stotina do tisuća crnih rupa koje su se brzo spustile u centar. Ove vrste klastera su u biti tvornice za binarne crne rupe, gdje imate toliko crnih rupa koje visi u malom prostoru da bi se dvije crne rupe mogle spojiti i proizvesti masivniju crnu rupu. Tada ta nova crna rupa može pronaći drugog suputnika i ponovno se spojiti.”
Kuglasti skupovi su izvor fascinacije otkako su ih astronomi prvi put promatrali u 17. stoljeću. Ove sferne zbirke zvijezda su među najstarijim poznatim zvijezdama u Svemiru i mogu se naći u većini galaksija. Ovisno o veličini i vrsti galaksije oko koje orbitiraju, broj jata varira, a eliptične galaksije imaju desetke tisuća, dok galaksije poput Mliječne staze imaju preko 150.
Već godinama Rodriguez istražuje ponašanje crnih rupa unutar kuglastih jata kako bi vidio da li djeluju sa svojim zvijezdama drugačije od crnih rupa koje zauzimaju manje gusto naseljena područja u svemiru. Kako bi testirali ovu hipotezu, Rodriguez i njegovi kolege koristili su Quest superračunalo na Sveučilištu Northwestern za provođenje simulacija na 24 zvjezdana jata.
Ti su skupovi bili u veličini od 200.000 do 2 milijuna zvijezda i pokrivali su niz različitih gustoća i metalnih sastava. Simulacije su modelirale evoluciju pojedinačnih zvijezda unutar tih klastera tijekom 12 milijardi godina. Ovaj vremenski raspon bio je dovoljan da prati ove zvijezde dok su međusobno djelovale i na kraju formirale crne rupe.
Umjetnikov dojam spajanja binarnih crnih rupa. Zasluga: LIGO/A. Simonnet.
Simulacije su također modelirale evoluciju i putanje crnih rupa nakon što su nastale. Kao Rodriguez objasnio :
“Zgodna stvar je, budući da su crne rupe najmasivniji objekti u tim nakupinama, one tonu u centar, gdje dobivate dovoljno veliku gustoću crnih rupa da formiraju binarne. Binarne crne rupe su u osnovi poput divovskih meta koje vise u jatu, a dok bacate druge crne rupe ili zvijezde na njih, one prolaze kroz ove lude kaotične susrete.”
Dok su se prethodne simulacije temeljile na Newtonovoj fizici, tim je odlučio dodati Einsteinove relativističke efekte u svoje simulacije globularnih nakupina. To je bilo zbog činjenice da gravitacijske valove nisu predviđale Newtonove teorije, već Einsteinova teorija opće relativnosti. Kao što je Rodriguez naveo, to im je omogućilo da vide kako su gravitacijski valovi igrali ulogu:
“Ono što su ljudi radili u prošlosti bilo je tretirati ovo kao čisto Newtonov problem. Newtonova teorija gravitacije funkcionira u 99,9 posto svih slučajeva. Nekoliko slučajeva u kojima to ne radi može biti kada imate dvije crne rupe koje zvižde jedna uz drugu vrlo blisko, što se inače ne događa u većini galaksija... U Einsteinovoj teoriji opće relativnosti, gdje mogu emitirati gravitacijske valove, onda kada jedna crna rupa prođe blizu druge, ona zapravo može emitirati sićušni puls gravitacijskih valova. To može oduzeti dovoljno energije od sustava da se dvije crne rupe zapravo povežu, a zatim će se brzo spojiti.”
Umjetnička koncepcija pokazuje dvije spojene crne rupe slične onima koje je LIGO otkrio 4. siječnja 2017. Zasluge: LIGO/Caltech
Ono što su primijetili je da se unutar zvjezdanih nakupina crne rupe spajaju jedna s drugom i stvaraju nove crne rupe. U prethodnim simulacijama, Newtonova gravitacija je predvidjela da će većina binarnih crnih rupa biti izbačena iz klastera prije nego što se spoje. No, uzimajući u obzir relativističke efekte, Rodriguez i njegov tim otkrili su da se gotovo polovica binarnih crnih rupa spojila i formirala masivnije.
Kako je Rodriguez objasnio, razlika između onih koji su se spojili i onih koji su izbačeni svodi se na vrtnju:
“Ako se dvije crne rupe okreću kada se spoje, crna rupa koju stvore emitirat će gravitacijske valove u jednom željenom smjeru, poput rakete, stvarajući novu crnu rupu koja može pucati brzinom od 5000 kilometara u sekundi – dakle, ludo brzo. Potreban je samo udarac od nekoliko desetaka do stotinu kilometara u sekundi da pobjegnemo iz jedne od ovih skupina.”
To je izazvalo još jednu zanimljivu činjenicu o prethodnim simulacijama, gdje su astronomi vjerovali da će proizvod bilo kojeg spajanja crnih rupa biti izbačen iz klastera jer se pretpostavlja da se većina crnih rupa brzo okreće. Međutim, čini se da su mjerenja gravitacijskih valova nedavno dobivena od LIGO-a u suprotnosti s tim, koji je otkrio samo spajanja binarnih crnih rupa s malim okretajima.
Umjetnikov dojam dvije crne rupe koje se spajaju. Zasluge: Bohn, Throwe, Hébert, Henriksson, Bunandar, Taylor, Scheel/SXS
Međutim, čini se da je ova pretpostavka u suprotnosti s mjerenjima LIGO-a, koji je do sada detektirao samo binarne crne rupe s malim okretajima. Kako bi testirali implikacije ovoga, Rodriguez i njegovi kolege smanjili su stope okretanja crnih rupa u svojim simulacijama. Ono što su otkrili je da je gotovo 20% binarnih crnih rupa iz klastera imalo barem jednu crnu rupu čija se masa kretala od 50 do 130 solarnih masa.
U suštini, to je ukazivalo da se radi o crnim rupama 'druge generacije', budući da znanstvenici vjeruju da se ta masa ne može postići crnom rupom koja je nastala od jedne zvijezde. Gledajući unaprijed, Rodriguez i njegov tim predviđaju da ako LIGO otkrije objekt s masom unutar ovog raspona, to je vjerojatno rezultat spajanja crnih rupa unutar gustog zvjezdanog skupa, a ne iz jedne zvijezde.
'Ako čekamo dovoljno dugo, tada će na kraju LIGO vidjeti nešto što je moglo doći samo iz ovih zvjezdanih jata, jer bi bilo veće od svega što biste mogli dobiti od jedne zvijezde', kaže Rodriguez. “Moji koautori i ja imamo okladu protiv nekoliko ljudi koji proučavaju formaciju binarnih zvijezda da će unutar prvih 100 LIGO detekcija, LIGO otkriti nešto unutar ovog gornjeg masenog jaza. Dobit ću finu bocu vina ako je to istina.”
Otkrivanje gravitacijskih valova bilo je povijesno postignuće koje je omogućilo astronomima da provode nova i uzbudljiva istraživanja. Znanstvenici već stječu novi uvid u crne rupe proučavajući nusprodukt njihovih spajanja. U nadolazećim godinama možemo očekivati da ćemo naučiti mnogo više zahvaljujući poboljšanju metoda i povećanju suradnje između zvjezdarnica.
Daljnje čitanje: S , Pisma o fizičkom pregledu