Supermassiv sort hul-model forudsiger karakteristiske lyssignaler ved kollisionsspids

En ny simulering af supermassive sorte huller - giganterne i centrum af galakser - bruger et realistisk scenarie til at forudsige de lyssignaler, der udsendes i den omgivende gas, før masserne kolliderer, sagde Rochester Institute of Technology-forskere.

Den RIT-ledede undersøgelse repræsenterer det første skridt i retning af at forudsige den forestående fusion af supermassive sorte huller ved hjælp af de to informationskanaler, der nu er tilgængelige for videnskabsmænd - de elektromagnetiske og gravitationsbølgespektrene - kendt som multimessenger-astrofysik. Resultaterne vises i papiret "Quasi-periodic Behavior of Mini-disks in Binary Black Holes Approaching Merger, " offentliggjort i Astrofysiske tidsskriftsbreve .

"Vi har udført den første simulering, hvor en akkretionsdisk omkring et binært sort hul fodrer individuelle akkretionsdiske, eller mini-diske, omkring hvert sorte hul i generel relativitet og magnetohydrodynamik, " sagde Dennis Bowen, hovedforfatter og postdoc-forsker ved RITs Center for Computational Relativity and Gravitation.

I modsætning til deres mindre massive fætre, første gang opdaget i 2016, supermassive sorte huller fødes af gasskiver, der omgiver dem som doughnuts. Den stærke tyngdekraft fra de sorte huller, der inspirerer mod hinanden, opvarmer og forstyrrer strømmen af ​​gas fra skive til sort hul og udsender periodiske signaler i de synlige for røntgendele af det elektromagnetiske spektrum.

"Vi har endnu ikke set to supermassive sorte huller komme så tæt på, " sagde Bowen. "Det giver de første hints om, hvordan disse fusioner vil se ud i et teleskop. Fyldning og genopfyldning af minidiske påvirker lyssignaturerne."

Simuleringen modellerer supermassive sorte huller i et binært par, hver omgivet af sine egne gasskiver. En meget større gasskive omkranser de sorte huller og føder uforholdsmæssigt en mini-disk over en anden, fører til påfyldnings- og genopfyldningscyklussen beskrevet i papiret.

"Evolutionen er lang nok til at undersøge, hvordan det virkelige videnskabelige resultat ville se ud, "sagde Manuela Campanelli, direktør for Center for Computational Relativity and Gravitation og medforfatter på papiret.

Binære supermassive sorte huller udsender gravitationsbølger ved lavere frekvenser end sorte huller med stjernemasse. Det jordbaserede laserinterferometer Gravitationsbølgeobservatorium, i 2016, opdagede de første gravitationsbølger fra kollisioner med sorte huller i stjernemasse med et instrument indstillet til højere frekvenser. LIGOs følsomhed er ude af stand til at observere gravitationsbølgesignalerne produceret af supermassiv sort hul-sammensmeltning.

Opsendelsen af ​​den rumbaserede Laser Interferometer rumantenne, eller LISA, planlagt til 2030'erne, vil opdage gravitationsbølger fra kolliderende supermassive sorte huller i kosmos. Når den var i drift i 2020'erne, det jordbaserede Large Synoptic Survey Telescope, eller LSST, under opførelse i Cerro Pachón, Chile, vil producere det bredeste, dybeste undersøgelse af lysemissioner i universet. Mønstret af signaler, der er forudsagt i RIT-undersøgelsen, kan guide videnskabsmænd til at kredse om par af supermassive sorte huller.

"I en æra med multimessenger-astrofysik, simuleringer som denne er nødvendige for at kunne forudsige direkte elektromagnetiske signaler, der vil ledsage gravitationsbølger, " sagde Bowen. "Dette er det første skridt mod det ultimative mål med simuleringer, der er i stand til at lave direkte forudsigelser af det elektromagnetiske signal fra binære sorte huller, der nærmer sig fusion."

Bowen og hans samarbejdspartnere kombinerede simuleringer fra RITs Black Hole Lab computerklynger og Blue Waters supercomputeren ved National Center for Supercomputing Applications ved University of Illinois i Urbana-Champaign, en af ​​de største supercomputere i USA.

Astrofysikere fra RIT, Johns Hopkins University og NASA Goddard Space Flight Center samarbejdede om projektet. Udgivelsen er baseret på Bowens ph.d. afhandling ved RIT og afslutter forskning påbegyndt af en medforfatter, Scott Noble, en tidligere RIT post-doc forsker, nu hos NASA Goddard. Deres forskning er en del af et samarbejdende National Science Foundation-finansieret projekt ledet af Campanelli. Medforfattere inkluderer Vassilios Mewes, RIT postdoc forsker; Miguel Zilhao, tidligere RIT post-doc forsker, nu på Universidade de Lisboa, i Portugal; og Julian Krolik, professor i fysik og astronomi ved Johns Hopkins University.

I en kommende avis, Forfatterne vil yderligere undersøge sammenhængen mellem gas, der strømmer ind og ud af akkretionsskiverne og fluktuerende lysemissioner. De vil præsentere forudsigelser af lyssignaturer, som forskere kan forvente at se med avancerede teleskoper, når de leder efter supermassive sorte huller, der nærmer sig fusion.