Sorte hul-simuleringer giver blueprint for fremtidige observationer

Astronomer fortsætter med at udvikle computersimuleringer for at hjælpe fremtidige observatorier bedre hjemme i sorte huller, de mest undvigende indbyggere i universet.

Selvom sorte huller sandsynligvis findes rigeligt i universet, de er notorisk svære at se. Forskere fangede ikke det første radiobillede af et sort hul før i 2019, og kun omkring fire dusin sorte hul-fusioner er blevet detekteret gennem deres karakteristiske gravitationsbølger siden den første påvisning i 2015.

Det er ikke mange data at arbejde med. Så forskere ser på sorte hul-simuleringer for at få afgørende indsigt, der vil hjælpe med at finde flere fusioner med fremtidige missioner. Nogle af disse simuleringer, skabt af forskere som astrofysiker Scott Noble, spor supermassive sorte huls binære systemer. Det er her, to monster sorte huller som dem, der findes i centrum af galakser, kredser tæt omkring hinanden, indtil de til sidst smelter sammen.

Simuleringerne, skabt af computere, der arbejder gennem sæt af ligninger, der er for komplicerede til at løse i hånden, illustrere, hvordan stof interagerer i fusionsmiljøer. Forskere kan bruge det, de lærer om sorte huls fusioner til at identificere nogle afslørende karakteristika, der lader dem skelne sorte huls fusioner fra stjernebegivenheder. Astronomer kan derefter lede efter disse afslørende tegn og se virkelige sorte hul-fusioner.

Adelig, der arbejder på NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, sagde disse binære systemer udsender gravitationsbølger og påvirker omgivende gasser, fører til unikke lysshows, der kan detekteres med konventionelle teleskoper. Dette giver videnskabsfolk mulighed for at lære om forskellige aspekter af det samme system. Multimessenger-observationer, der kombinerer forskellige former for lys eller gravitationsbølger, kunne give videnskabsmænd mulighed for at forfine deres modeller af sorte huls binære systemer.

"Vi har stolet på lys for at se alt derude, " sagde Noble. "Men ikke alt udsender lys, så den eneste måde at direkte 'se' to sorte huller er gennem de gravitationsbølger, de genererer. Gravitationsbølger og lyset fra omgivende gas er uafhængige måder at lære om systemet på, og håbet er, at de vil mødes på samme tidspunkt."

Binære sorte hul-simuleringer kan også hjælpe missionen Laser Interferometer Space Antenna (LISA). Dette rumbaserede gravitationsbølgeobservatorium, ledet af European Space Agency med betydelige bidrag fra NASA, forventes at blive lanceret i 2034. Hvis simuleringer bestemmer, hvilke elektromagnetiske karakteristika der adskiller et binært sort hul-system fra andre begivenheder, videnskabsmænd kunne opdage disse systemer, før LISA flyver, Noble sagde. Disse observationer kunne derefter bekræftes gennem yderligere detektioner, når LISA lanceres.

Det ville give videnskabsfolk mulighed for at bekræfte, at LISA virker, observere systemer i en længere periode, før de smelter sammen, forudsige, hvad der vil ske, og test disse forudsigelser.

"Det har vi aldrig været i stand til før, " sagde Noble. "Det er virkelig spændende."

Simuleringerne er afhængige af kode, som beskriver, hvordan tætheden og trykket af plasma ændres i områder med stærk tyngdekraft nær et enkelt sort hul eller neutronstjerne, Noble sagde. Han ændrede koden for at tillade to sorte huller at udvikle sig.

Noble arbejder med Goddard og universitetspartnere, herunder Bernard Kelly ved University of Maryland, Manuela Campanelli leder et team af forskere ved Rochester Institute of Technology, og Julian Krolik leder et forskningshold fra Johns Hopkins University.

Kelly laver simuleringer ved hjælp af en speciel tilgang kaldet en bevægelig punkteringssimulering.

Disse simuleringer gør det muligt for videnskabsmænd at undgå at repræsentere en singularitet inde i begivenhedshorisonten - den del af det sorte hul, hvorfra intet kan undslippe, sagde Kelly. Alt uden for denne begivenhedshorisont udvikler sig, mens objekterne indeni forbliver frosne fra tidligere i simuleringen. Dette gør det muligt for forskere at overse det faktum, at de ikke ved, hvad der sker inden for en begivenhedshorisont.

At efterligne virkelige situationer, hvor sorte huller akkumulerer ophobningsskiver af gas, støv, og diffust stof, forskere er nødt til at inkorporere yderligere kode for at spore, hvordan det ioniserede materiale interagerer med magnetiske felter.

"Vi forsøger sømløst og korrekt at lime forskellige koder og simuleringsmetoder sammen for at producere ét sammenhængende billede, " sagde Kelly.

I 2018, holdet offentliggjorde en analyse af en ny simulering i The Astrophysical Journal som fuldt ud inkorporerede de fysiske effekter af Einsteins generelle relativitetsteori for at vise en fusions virkninger på miljøet omkring den. Simuleringen fastslog, at gassen i binære sorte hul-systemer overvejende vil gløde i ultraviolet lys og røntgenlys.

Simuleringer viste også, at accretion-diske i disse systemer ikke er helt glatte. Der dannes en tæt klump, der kredser om det binære, og hver gang et sort hul fejer tæt på, det trækker stof fra klumpen. Den kollision opvarmer sagen, frembringer et lyst signal og skaber en observerbar udsving i lyset.

In addition to improving their confidence in the accuracy of the simulations, Goddard astrophysicist Jeremy Schnittman said they also need to be able to apply the same simulation code to a single black hole or a binary and show the similarities and also the differences between the two systems.

"The simulation are going to tell us what the systems should look like, " Schnittman said. "LISA works more like a radio antenna as opposed to an optical telescope. We're going to hear something in the universe and get its basic direction, but nothing very precise. What we have to do is take other telescopes and look in that part of the sky, and the simulations are going to tell us what to look for to find a merging black hole."

Kelly said LISA will be more sensitive to lower gravitational wave frequencies than the current ground-based gravitational wave observer, the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO). That means LISA will be able to sense smaller-mass binary systems much earlier and will likely detect merging systems in time to alert electromagnetic telescopes.

For Schnittman, these simulations are key to understanding the real-life data LISA and other spacecraft collect. The case for models may be even stronger for binary black holes, Schnittman said, because the scientific community has little data.

"We probably will never find a binary black hole with a telescope until we simulate them to the point we know exactly what we're looking for, because they're so far away, they're so tiny, you're going to see just one speck of light, " Schnittman said. "We need to be able to look for that smoking gun."