Tætte stjernehobe kan fremme sorte huls megafusioner

Da LIGOs tvillingedetektorer først opfangede svage slingre i deres respektive, identiske spejle, signalet gav ikke kun den første direkte detektion af gravitationsbølger – det bekræftede også eksistensen af ​​stjernernes binære sorte huller, hvilket gav anledning til signalet i første omgang.

Stellar binære sorte huller dannes, når to sorte huller, skabt ud af resterne af massive stjerner, begynder at kredse om hinanden. Til sidst, de sorte huller smelter sammen i en spektakulær kollision, ifølge Einsteins generelle relativitetsteori, skulle frigive en enorm mængde energi i form af gravitationsbølger.

Nu, et internationalt hold ledet af MIT-astrofysiker Carl Rodriguez foreslår, at sorte huller kan samarbejde og smelte sammen flere gange, producerer sorte huller, der er mere massive end dem, der dannes af enkeltstjerner. Disse "anden generations fusioner" burde komme fra kugleformede klynger - små områder i rummet, normalt ved kanten af ​​en galakse, der er spækket med hundredtusindvis til millioner af stjerner.

"Vi tror, ​​at disse klynger blev dannet med hundreder til tusindvis af sorte huller, der hurtigt sank ned i midten, " siger Carl Rodriguez, en Pappalardo-stipendiat i MIT's Institut for Fysik og Kavli Institute for Astrophysics and Space Research. "Denne slags klynger er i det væsentlige fabrikker for sorte huls binære filer, hvor du har så mange sorte huller, der hænger ud i et lille område af rummet, at to sorte huller kan smelte sammen og producere et mere massivt sort hul. Så kan det nye sorte hul finde en anden følgesvend og smelte sammen igen."

Hvis LIGO detekterer en binær med en sort hul-komponent, hvis masse er større end omkring 50 solmasser, derefter ifølge gruppens resultater, der er en god chance for, at objektet ikke stammer fra individuelle stjerner, men fra en tæt stjernehob.

"Hvis vi venter længe nok, så vil LIGO til sidst se noget, der kun kunne være kommet fra disse stjernehobe, fordi det ville være større end noget, du kunne få fra en enkelt stjerne, " siger Rodriguez.

Han og hans kolleger rapporterer deres resultater i et papir, der vises i Fysiske anmeldelsesbreve .

Løbestjerner

I de sidste mange år, Rodriguez har undersøgt opførselen af ​​sorte huller i kugleformede klynger, og om deres interaktioner adskiller sig fra sorte huller, der optager mindre befolkede områder i rummet.

Kuglehobe kan findes i de fleste galakser, og deres talskalaer med en galakses størrelse. Kæmpe stor, elliptiske galakser, for eksempel, vært for titusindvis af disse stjernekonglomerationer, mens vores egen Mælkevej rummer omkring 200, med den nærmeste klynge bosat omkring 7, 000 lysår fra Jorden.

I deres nye avis, Rodriguez og hans kolleger rapporterer at bruge en supercomputer kaldet Quest, ved Northwestern University, at simulere komplekset, dynamiske interaktioner inden for 24 stjernehobe, i størrelse fra 200,- 000 til 2 millioner stjerner, og dækker en række forskellige densiteter og metalliske sammensætninger. Simuleringerne modellerer udviklingen af ​​individuelle stjerner i disse hobe over 12 milliarder år, efter deres interaktion med andre stjerner og, ultimativt, dannelsen og udviklingen af ​​de sorte huller. Simuleringerne modellerer også banerne for sorte huller, når de først dannes.

"Det pæne er, fordi sorte huller er de mest massive objekter i disse klynger, de synker til midten, hvor du får en høj nok tæthed af sorte huller til at danne binære, " siger Rodriguez. "Binære sorte huller er dybest set som gigantiske mål, der hænger ud i klyngen, og når du kaster andre sorte huller eller stjerner efter dem, de gennemgår disse skøre kaotiske møder."

Det hele er relativt

Når de kører deres simuleringer, forskerne tilføjede en nøgleingrediens, som manglede i tidligere bestræbelser på at simulere kuglehobe.

"Hvad folk havde gjort tidligere var at behandle dette som et rent newtonsk problem, " siger Rodriguez. "Newtons teori om tyngdekraft virker i 99,9 procent af alle tilfælde. De få tilfælde, hvor det ikke virker, kan være, når du har to sorte huller, der suser meget tæt forbi hinanden, hvilket normalt ikke sker i de fleste galakser."

Newtons relativitetsteori antager, at hvis de sorte huller var ubundet til at begynde med, hverken det ene ville påvirke det andet, og de ville simpelthen gå forbi hinanden, uændret. Denne tankegang stammer fra det faktum, at Newton ikke kunne genkende eksistensen af ​​gravitationsbølger - som Einstein meget senere forudsagde ville opstå fra massive objekter i kredsløb, såsom to sorte huller i umiddelbar nærhed.

"I Einsteins generelle relativitetsteori, hvor jeg kan udsende gravitationsbølger, så når et sort hul passerer i nærheden af ​​et andet, det kan faktisk udsende en lille puls af gravitationsbølger, Rodriguez forklarer. "Dette kan trække nok energi fra systemet til, at de to sorte huller faktisk bliver bundet, og så vil de hurtigt smelte sammen."

Holdet besluttede at tilføje Einsteins relativistiske effekter i deres simuleringer af kuglehobe. Efter at have kørt simuleringerne, de observerede sorte huller smelte sammen med hinanden for at skabe nye sorte huller, inde i selve stjernehobene. Uden relativistiske effekter, Newtonsk tyngdekraft forudsiger, at de fleste binære sorte huller ville blive smidt ud af klyngen af ​​andre sorte huller, før de kunne smelte sammen. Men ved at tage relativistiske effekter i betragtning, Rodriguez og hans kolleger fandt ud af, at næsten halvdelen af ​​de binære sorte huller smeltede sammen inde i deres stjernehobe, skabe en ny generation af sorte huller, der er mere massive end dem, der er dannet af stjernerne. Hvad der sker med de nye sorte huller inde i klyngen er et spørgsmål om spin.

"Hvis de to sorte huller spinder, når de smelter sammen, det sorte hul, de skaber, vil udsende gravitationsbølger i en enkelt foretrukken retning, som en raket, skabe et nyt sort hul, der kan skyde ud så hurtigt som 5, 000 kilometer i sekundet – så, sindssygt hurtigt, " siger Rodriguez. "Det tager kun et spark på måske et par tiere til hundrede kilometer i sekundet for at undslippe en af ​​disse klynger."

På grund af denne effekt, videnskabsmænd har stort set regnet med, at produktet af enhver sort hul-fusion ville blive smidt ud af klyngen, da det blev antaget, at de fleste sorte huller snurrer hurtigt.

Denne antagelse, imidlertid, synes at modsige målingerne fra LIGO, som indtil videre kun har opdaget binære sorte huller med lave spins. For at teste konsekvenserne af dette, Rodriguez ringede de sorte hulles spin ned i sine simuleringer og fandt ud af, at i dette scenarie, næsten 20 procent af binære sorte huller fra klynger havde mindst ét ​​sort hul, der blev dannet i en tidligere fusion. Fordi de blev dannet af andre sorte huller, nogle af disse andengenerations sorte huller kan være i området fra 50 til 130 solmasser. Forskere mener, at sorte huller af denne masse ikke kan dannes fra en enkelt stjerne.

Rodriguez siger, at hvis gravitationsbølgeteleskoper såsom LIGO detekterer et objekt med en masse inden for dette område, der er en god chance for, at det ikke kom fra en eneste kollapsende stjerne, men fra en tæt stjernehob.

"Mine medforfattere og jeg har et væddemål mod et par mennesker, der studerer binær stjernedannelse, som inden for de første 100 LIGO-detektioner, LIGO vil opdage noget inden for dette øvre massegab, " siger Rodriguez. "Jeg får en god flaske vin, hvis det tilfældigvis er sandt."