En uventet oprindelseshistorie for en skæv sort hul-fusion

En skæv fusion af to sorte huller kan have en mærkelig oprindelseshistorie, ifølge en ny undersøgelse foretaget af forskere ved MIT og andre steder.

Fusionen blev først opdaget den 12. april, 2019 som en gravitationsbølge, der ankom til detektorerne af både LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory), og dets italienske modstykke, Jomfruen. Forskere mærkede signalet som GW190412 og fastslog, at det stammede fra et sammenstød mellem to David-og-Goliat sorte huller, den ene tre gange mere massiv end den anden. Signalet markerede den første påvisning af en fusion mellem to sorte huller af meget forskellige størrelser.

Nu er det nye studie, offentliggjort i dag i tidsskriftet Fysiske anmeldelsesbreve, viser, at denne skæve fusion kan være opstået gennem en meget anderledes proces sammenlignet med, hvordan de fleste fusioner, eller binære filer, menes at dannes.

Det er sandsynligt, at det mere massive af de to sorte huller i sig selv var et produkt af en tidligere fusion mellem to forældresorte huller. Goliathen, der sprang ud af den første kollision, kan derefter have rikochetteret rundt om en tætpakket "atomklynge", før den smeltede sammen med den anden, mindre sort hul - en hæsblæsende begivenhed, der sendte gravitationsbølger bølgende hen over rummet.

GW190412 kan så være en anden generation, eller "hierarkisk" fusion, adskiller sig fra andre førstegenerationsfusioner, som LIGO og Jomfruen hidtil har opdaget.

"Denne begivenhed er en mærkelig kugle, universet har kastet på os - det var noget, vi ikke så komme, " siger studiemedforfatter Salvatore Vitale, en assisterende professor i fysik ved MIT og et LIGO-medlem. "Men intet sker bare én gang i universet. Og sådan noget her, selvom det er sjældent, vi ses igen, og vi vil være i stand til at sige mere om universet."

Vitales medforfattere er Davide Gerosa fra University of Birmingham og Emanuele Berti fra Johns Hopkins University.

En kamp for at forklare

Der er to hovedmåder, hvorpå sorte hul-fusioner menes at dannes. Den første er kendt som en fælles konvolutproces, hvor to nabostjerner, efter milliarder af år, eksplodere for at danne to tilstødende sorte huller, der til sidst deler en fælles konvolut, eller gasskive. Efter endnu et par milliarder år, de sorte huller spiraler ind og smelter sammen.

"Du kan tænke på det her som et par, der er sammen hele deres liv, " Vitale siger. "Denne proces er mistænkt for at ske i skiven af ​​galakser som vores egen."

Den anden fælles vej, hvormed sorte hul-fusioner dannes, er via dynamiske interaktioner. Forestille, i stedet for et monogamt miljø, en galaktisk rave, hvor tusindvis af sorte huller er proppet ind i en lille, tætte område af universet. Når to sorte huller begynder at samarbejde, en tredje kan slå parret fra hinanden i en dynamisk interaktion, der kan gentages mange gange, før et par sorte huller endelig smelter sammen.

I både den fælles indhylningsproces og det dynamiske interaktionsscenarie, de sammensmeltede sorte huller skal have nogenlunde samme masse, i modsætning til det skæve masseforhold i GW190412. De skal også have relativt ingen spin, hvorimod GW190412 har et overraskende højt spin.

"Bundlinjen er, begge disse scenarier, som folk traditionelt tror er ideelle planteskoler for sorte huls binære filer i universet, kæmper for at forklare masseforholdet og spin af denne begivenhed, " siger Vitale.

Sort hul tracker

I deres nye avis, forskerne brugte to modeller til at vise, at det er meget usandsynligt, at GW190412 kom fra enten en fælles indhyllingsproces eller en dynamisk interaktion.

De modellerede først udviklingen af ​​en typisk galakse ved hjælp af STAR TRACK, en simulering, der sporer galakser over milliarder af år, begyndende med sammensmeltningen af ​​gas og fortsætter til den måde, stjerner tager form og eksploderer på, og derefter kollapse i sorte huller, der til sidst smelter sammen. Den anden model simulerer tilfældig, dynamiske møder i kuglehobe – tætte koncentrationer af stjerner omkring de fleste galakser.

Holdet kørte begge simuleringer flere gange, tuning af parametrene og undersøgelse af egenskaberne ved de sorte huls fusioner, der opstod. For de fusioner, der er dannet gennem en fælles konvolutproces, en fusion som GW190412 var meget sjælden, dukker først op efter et par millioner begivenheder. Dynamiske interaktioner var lidt mere tilbøjelige til at producere en sådan begivenhed, efter et par tusinde fusioner.

Imidlertid, GW190412 blev detekteret af LIGO og Jomfruen efter kun 50 andre detektioner, tyder på, at det sandsynligvis er opstået gennem en anden proces.

"Uanset hvad vi gør, vi kan ikke nemt producere denne begivenhed i disse mere almindelige formationskanaler, " siger Vitale.

Processen med hierarkisk sammensmeltning kan bedre forklare GW190412's skæve masse og dens høje spin. Hvis et sort hul var et produkt af en tidligere parring af to overordnede sorte huller med samme masse, det ville i sig selv være mere massivt end begge forældre, og senere betydeligt overskygge sin førstegenerationspartner, skabe et højt masseforhold i den endelige fusion.

En hierarkisk proces kunne også generere en fusion med et højt spin:De overordnede sorte huller, i deres kaotiske sammensmeltning, ville dreje det resulterende sorte hul op, som så ville føre dette spin ind i sin egen ultimative kollision.

"Du laver regnestykket, og det viser sig, at det resterende sorte hul ville have et spin, som er meget tæt på det samlede spin af denne fusion, " forklarer Vitale.

Ingen udvej

Hvis GW190412 faktisk blev dannet gennem hierarkisk sammensmeltning, Vitale siger, at begivenheden også kunne kaste lys over det miljø, hvori det blev dannet. Holdet fandt ud af, at hvis det største af de to sorte huller blev dannet fra en tidligere kollision, denne kollision genererede sandsynligvis en enorm mængde energi, der ikke kun udsprang et nyt sort hul, men sparkede den over et stykke.

"Hvis den bliver sparket for hårdt, den ville bare forlade klyngen og gå ind i det tomme interstellare medium, og ikke være i stand til at fusionere igen, " siger Vitale.

Hvis objektet var i stand til at flette igen (i dette tilfælde, at producere GW190412), det ville betyde, at det spark, den modtog, ikke var nok til at undslippe den stjernehob, som den blev dannet i. Hvis GW190412 faktisk er et produkt af hierarkisk sammensmeltning, holdet beregnede, at det ville være sket i et miljø med en flugthastighed på over 150 kilometer i sekundet. For perspektiv, flugthastigheden for de fleste kuglehobe er omkring 50 kilometer i sekundet.

Dette betyder, at uanset hvilket miljø GW190412 opstod fra havde en enorm tyngdekraft, og holdet mener, at et sådant miljø kunne have været enten gasskiven omkring et supermassivt sort hul, eller en "atomklynge" - en utrolig tæt region af universet, spækket med titusinder af stjerner.

"Denne fusion må være kommet fra et usædvanligt sted, " Vitale siger. "Som LIGO og Jomfruen fortsætter med at foretage nye opdagelser, vi kan bruge disse opdagelser til at lære nye ting om universet."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.