Forskere gør fremskridt med at opklare puslespillet om sammenlægning af sorte huller

Astrofysikere ved University of Birmingham har gjort fremskridt med at forstå et centralt mysterium om gravitationsbølge astrofysik:hvordan to sorte huller kan komme sammen og smelte sammen.

I løbet af de første fire måneder med at tage data, Advanced LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) opdagede gravitationsbølger fra to fusioner af par sorte huller, GW150914 og GW151226, sammen med den statistisk set mindre signifikante sorte hul fusionskandidat LVT151012.

Den første bekræftede påvisning af gravitationsbølger fandt sted den 14. september 2015 klokken 5.51 østlig dagslys af begge de to LIGO -detektorer, beliggende i Livingston, Louisiana, og Hanford, Washington, USA. Det bekræftede en stor forudsigelse af Albert Einsteins generelle relativitetsteori fra 1915 og åbnede et nyt hidtil uset vindue mod kosmos. Imidlertid, vi ved stadig ikke, hvordan sådanne par af fusionerende sorte huller dannes.

Et nyt papir, udgivet i Naturkommunikation , beskriver resultaterne af en undersøgelse af dannelsen af ​​gravitationsbølgekilder med et nyudviklet værktøjssæt ved navn COMPAS (Compact Object Mergers:Population Astrophysics and Statistics).

For at de sorte huller kan smelte sammen inden for universets alder ved at udsende gravitationsbølger, de skal starte meget tæt sammen efter astronomiske standarder, højst en femtedel af afstanden mellem jorden og solen. Imidlertid, massive stjerner, som er forfædre til de sorte huller, som LIGO har observeret, udvide til at være meget større end dette i løbet af deres udvikling. Den centrale udfordring, derefter, er, hvordan man passer så store stjerner inden for en meget lille bane. Flere mulige scenarier er blevet foreslået for at løse dette.

Birmingham -astrofysikerne, sammen med samarbejdspartner professor Selma de Mink fra University of Amsterdam, har vist, at alle tre observerede hændelser kan dannes via den samme formationskanal:isoleret binær evolution via en fælles-envelope-fase. I denne kanal, to massive stamfaderstjerner starter ved ganske brede adskillelser. Stjernerne interagerer, når de udvider sig, deltager i flere episoder med masseoverførsel. Den seneste af disse er typisk en fælles kuvert - en meget hurtig, dynamisk ustabil masseoverførsel, der omslutter begge stjernekerner i en tæt sky af hydrogengas. Udstødning af denne gas fra systemet tager energi væk fra kredsløbet. Dette bringer de to stjerner tilstrækkeligt tæt sammen til, at gravitationsbølgeemission kan være effektiv, lige på det tidspunkt, hvor de er små nok til, at en sådan nærhed ikke længere vil bringe dem i kontakt. Hele processen tager et par millioner år at danne to sorte huller, med en mulig efterfølgende forsinkelse på milliarder af år, før de sorte huller smelter sammen og danner et enkelt sort hul.

Simuleringerne har også hjulpet teamet med at forstå de typiske egenskaber ved stjernerne, der kan fortsætte med at danne sådanne par af fusionerende sorte huller og de miljøer, hvor dette kan ske. For eksempel, holdet konkluderede, at en fusion af to sorte huller med betydeligt ulige masser ville være en stærk indikation på, at stjernerne næsten udelukkende dannede sig fra brint og helium, med andre elementer, der bidrager med færre end 0,1% af stjernemateriale (til sammenligning denne brøkdel er ca. 2% i solen).

Første forfatter Simon Stevenson, en ph.d. -studerende ved University of Birmingham, forklarede:"Det smukke ved COMPAS er, at det giver os mulighed for at kombinere alle vores observationer og begynde at sammensætte puslespillet om, hvordan disse sorte huller smelter sammen, sende disse krusninger i rumtiden, som vi var i stand til at observere på LIGO. "

Seniorforfatter professor Ilya Mandel tilføjede:"Dette arbejde gør det muligt at forfølge en slags 'paleontologi' for gravitationsbølger. En paleontolog, som aldrig har set en levende dinosaur, kan finde ud af, hvordan dinosauren så ud og levede ud fra sine skeletrester. På lignende måde, vi kan analysere fusionerne af sorte huller, og brug disse observationer til at finde ud af, hvordan disse stjerner interagerede i løbet af deres korte, men intense liv. "