Ny simulering kaster lys over spiralformede supermassive sorte huller

En ny model bringer videnskabsmænd et skridt tættere på at forstå den slags lyssignaler, der produceres, når to supermassive sorte huller, som er millioner til milliarder af gange Solens masse, spiral mod en kollision. For første gang, en ny computersimulering, der fuldt ud inkorporerer de fysiske effekter af Einsteins generelle relativitetsteori, viser, at gas i sådanne systemer overvejende vil gløde i ultraviolet lys og røntgenlys.

Næsten hver galakse på størrelse med vores egen Mælkevej eller større indeholder et monster sort hul i centrum. Observationer viser, at galaksefusioner forekommer hyppigt i universet, men indtil videre har ingen set en sammensmeltning af disse gigantiske sorte huller.

"Vi ved, at galakser med centrale supermassive sorte huller kombineres hele tiden i universet, alligevel ser vi kun en lille brøkdel af galakser med to af dem i nærheden af ​​deres centre, " sagde Scott Noble, en astrofysiker ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. "De par, vi ser, udsender ikke stærke gravitationsbølgesignaler, fordi de er for langt væk fra hinanden. Vores mål er at identificere - med lys alene - endnu tættere par, hvorfra gravitationsbølgesignaler kan detekteres i fremtid."

Et papir, der beskriver holdets analyse af den nye simulering, blev offentliggjort tirsdag, 2. okt. i Astrofysisk tidsskrift og er nu tilgængelig online.

Forskere har opdaget sammensmeltende sorte huller i stjernemasse - som spænder fra omkring tre til flere dusin solmasser - ved hjælp af National Science Foundations Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO). Gravitationsbølger er rum-tids krusninger, der rejser med lysets hastighed. De skabes, når massive objekter i kredsløb som sorte huller og neutronstjerner spiraler sammen og smelter sammen.

Supermassive fusioner vil være meget sværere at finde end deres fætre med stjerner. En grund til, at jordbaserede observatorier ikke kan detektere gravitationsbølger fra disse begivenheder, er fordi Jorden selv er for støjende, rysten fra seismiske vibrationer og gravitationsændringer fra atmosfæriske forstyrrelser. Detektorerne skal være i rummet, som Laser Interferometer Space Antenna (LISA) ledet af ESA (European Space Agency) og planlagt til opsendelse i 2030'erne. Observatorier, der overvåger sæt af hurtigt roterende, supertætte stjerner kaldet pulsarer kan opdage gravitationsbølger fra monsterfusioner. Som fyrtårne, pulsarer udsender regelmæssigt tidsindstillede lysstråler, der blinker ind og ud af syne, når de roterer. Gravitationsbølger kan forårsage små ændringer i tidspunktet for disse blink, men indtil videre har undersøgelser ikke givet nogen påvisninger.

Men supermassive binære filer, der nærmer sig kollision, kan have én ting, der mangler stjernemasse-binære filer - et gasrigt miljø. Forskere formoder, at supernovaeksplosionen, der skaber et stjernestort hul, også blæser det meste af den omgivende gas væk. Det sorte hul forbruger det lille, der er tilbage, så hurtigt, at der ikke er meget tilbage at gløde, når fusionen sker.

Supermassive binære filer, på den anden side, resultat af galaksefusioner. Hvert overstørrelse sort hul medbringer et følge af gas- og støvskyer, stjerner og planeter. Forskere tror, ​​at en galaksekollision driver meget af dette materiale mod de centrale sorte huller, som bruger det på en tidsskala svarende til den, der er nødvendig for, at binæren kan fusionere. Når de sorte huller nærmer sig, magnetiske og gravitationskræfter opvarmer den resterende gas, producerende lys skulle astronomer kunne se.

"Det er meget vigtigt at fortsætte på to spor, " sagde medforfatter Manuela Campanelli, direktør for Center for Computational Relativity and Gravitation ved Rochester Institute of Technology i New York, som startede dette projekt for ni år siden. "Modellering af disse hændelser kræver sofistikerede beregningsværktøjer, der omfatter alle de fysiske effekter, der produceres af to supermassive sorte huller, der kredser om hinanden med en brøkdel af lysets hastighed. At vide, hvilke lyssignaler man kan forvente fra disse hændelser, vil hjælpe moderne observationer med at identificere dem. Modellering og Iagttagelser vil derefter føre til hinanden, hjælper os med bedre at forstå, hvad der sker i hjertet af de fleste galakser."

Den nye simulering viser tre baner af et par supermassive sorte huller, kun 40 baner fra at smelte sammen. Modellerne afslører, at lyset, der udsendes på dette stadium af processen, kan være domineret af UV-lys med nogle højenergirøntgenstråler, ligner det, man ser i enhver galakse med et velnæret supermassivt sort hul.

Tre områder af lysemitterende gas lyser, når de sorte huller smelter sammen, alle forbundet med strømme af varm gas:en stor ring, der omkranser hele systemet, kaldet den cirkumbinære disk, og to mindre omkring hvert sort hul, kaldet minidiske. Alle disse genstande udsender overvejende UV-lys. Når gas strømmer ind i en minidisk med høj hastighed, diskens UV-lys interagerer med hvert sort huls korona, et område med højenergi subatomære partikler over og under disken. Denne interaktion producerer røntgenstråler. Når tilvæksthastigheden er lavere, UV-lys dæmpes i forhold til røntgenstrålerne.

Baseret på simuleringen, forskerne forventer, at røntgenstråler, der udsendes ved en nær-fusion, vil være lysere og mere varierende end røntgenstråler set fra enkelte supermassive sorte huller. Tempoet for ændringerne er knyttet til både omløbshastigheden af ​​gas, der er placeret ved den indvendige kant af den cirkumbinære skive, såvel som til de sammensmeltende sorte huller.

"Måden begge sorte huller afleder lys giver anledning til komplekse linseeffekter, som det ses i filmen, når det ene sorte hul passerer foran det andet, " sagde Stéphane d'Ascoli, en ph.d.-studerende ved École Normale Supérieure i Paris og hovedforfatter af papiret. "Nogle eksotiske funktioner kom som en overraskelse, såsom de øjenbrynsformede skygger, som det ene sorte hul lejlighedsvis skaber i nærheden af ​​det andets horisont."

Simuleringen kørte på National Center for Supercomputing Applications' Blue Waters supercomputer ved University of Illinois i Urbana-Champaign. Modellering af tre kredsløb af systemet tog 46 dage den 9. 600 computerkerner. Campanelli sagde, at samarbejdet for nylig blev tildelt yderligere tid på Blue Waters for at fortsætte med at udvikle deres modeller.

Den oprindelige simulering estimerede gastemperaturer. Holdet planlægger at forfine deres kode for at modellere, hvordan systemets parametre ændres, som temperatur, afstand, total masse og tilvæksthastighed, vil påvirke det udsendte lys. De er interesserede i at se, hvad der sker med gas, der rejser mellem de to sorte huller, såvel som at modellere længere tidsrum.

"Vi er nødt til at finde signaler i lyset fra supermassive sorte hul-binære filer, der er karakteristiske nok til, at astronomer kan finde disse sjældne systemer blandt mængden af ​​lyse enkelt supermassive sorte huller, " sagde medforfatter Julian Krolik, en astrofysiker ved Johns Hopkins University i Baltimore. "Hvis vi kan gøre det, vi kan måske opdage sammensmeltende supermassive sorte huller, før de ses af et rumbaseret gravitationsbølgeobservatorium."