Gravitationsbølger fra sammensmeltede supermassive sorte huller vil blive opdaget inden for 10 år, undersøgelse forudsiger

Astronomer skal ikke vente meget længere på deres første glimt af en af ​​de største typer fagforeninger i kosmos. Ny forskning offentliggjort 13. november i Natur astronomi forudsiger, at gravitationsbølger genereret af sammensmeltningen af ​​to supermassive sorte huller vil blive opdaget inden for 10 år. Undersøgelsen er den første til at bruge rigtige data, i stedet for computersimuleringer, at forudsige, hvornår en sådan observation vil blive foretaget.

"Gravitationsbølgerne fra disse supermassive sorte huls binære fusioner er de mest kraftfulde i universet, " siger studielederforfatter Chiara Mingarelli, en forsker ved Center for Computational Astrophysics ved Flatiron Institute i New York City. "De overskygger absolut de sorte huls fusioner opdaget af LIGO, " eller Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, som først opdagede gravitationsbølger fra kolliderende sorte huller i februar 2016.

Påvisningen af ​​en supermassiv sort hul-fusion ville give ny indsigt i, hvordan massive galakser og sorte huller udvikler sig, siger Mingarelli. Mangel på sådan en observation inden for den 10-årige tidsramme, på den anden side, ville nødvendiggøre en genovervejelse af, om og hvordan supermassive sorte huller smelter sammen, hun siger.

Supermassive sorte huller lever i hjertet af store galakser, inklusive vores egen Mælkevej, og kan være millioner eller endda milliarder af gange solens masse. Til sammenligning, de sammensmeltende sorte huller, der hidtil er blevet opdaget af gravitationsbølgedetektorer, har kun været et par dusin gange solens masse.

Når to galakser støder sammen, deres supermassive sorte huller driver til midten af ​​den nyligt forenede galakse. Forskere forudser, at de supermassive sorte huller så vil lukke sammen og smelte sammen over tid. Den sammenkomst producerer intense tyngdebølger, der bølger gennem rummets og tidens stof.

Mens disse gravitationsbølger er stærke, de ligger uden for de bølgelængder, der i øjeblikket kan observeres ved igangværende eksperimenter såsom LIGO og Jomfruen. Den nye jagt på gravitationsbølger dannet ved at fusionere supermassive sorte huller vil i stedet udnytte stjerner kaldet pulsarer, der fungerer som kosmiske metronomer. De hurtigt roterende stjerner udsender en stabil rytme af radiobølgeimpulser. Mens passerende gravitationsbølger strækker sig og komprimerer rummet mellem Jorden og pulsaren, rytmen ændres lidt. Disse ændringer overvåges derefter af pulsar-watching-projekter på Jorden.

Tre projekter aflæser i øjeblikket timingen af ​​radiobølger, der ankommer fra nærliggende pulsarer:Parkes Pulsar Timing Array i Australien, North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves og European Pulsar Timing Array. Sammen, trioen danner International Pulsar Timing Array.

Mingarelli og kolleger estimerede, hvor lang tid disse projekter vil tage at få øje på deres første supermassive sorte hul-fusion. Holdet katalogiserede nærliggende galakser, der kan være vært for par supermassive sorte huller. Forskerne kombinerede derefter denne information med et kort over nærliggende pulsarer for at finde - for første gang - sandsynligheden for en endelig påvisning over tid.

"Hvis du tager højde for pulsarernes positioner på himlen, du har dybest set 100 procent chance for at opdage noget om 10 år, " siger Mingarelli. "Bundlinjen er, at du er garanteret at vælge mindst én lokal binær supermassiv sort hul."

En overraskelse fra resultaterne var, hvilke galakser der med størst sandsynlighed vil give det første glimt af supermassive sorte huls fusion. Større galakser betyder større sorte huller og derfor stærkere gravitationsbølger. Men større sorte huller smelter også hurtigere sammen, reducere det vindue, hvorunder gravitationsbølger kan detekteres. En sort huls fusion i en massiv galakse som M87 ville give sporbare gravitationsbølger i 4 millioner år, for eksempel, mens en mere beskeden galakse som Sombrero Galaxy ville tilbyde et 160 millioner-årigt vindue.

En vellykket påvisning ville give astrofysikere en bedre forståelse af astrofysikken i hjertet af galaksefusioner, Mingarelli siger, og give en ny vej til at studere grundlæggende fysik, der ikke er tilgængelig på nogen anden måde. Antallet af individuelle supermassive sorte hul-binære filer, der ses, giver også et mål for, hvor ofte galakser smelter sammen, som er et vigtigt mål for, hvordan universet har udviklet sig over tid.

Hvis en supermassiv sort hul-fusion ikke ses, det kan være, fordi de sorte huller går i stå ved omkring tre lysår (eller en parsec) adskillelse. Denne gåde er kendt som Final Parsec Problem. De to sorte huller lukker gradvist sammen over tid, efterhånden som deres kredsløb nedbrydes, efterhånden som energi tabes og genererer gravitationsbølger, men processen kan tage længere tid end universets nuværende alder.

Med hensyn til om astronomer vil opdage en supermassiv sort hul-fusion, "det bliver interessant uanset hvad, " siger Mingarelli.