Numerisk bevis for fusionen af ​​MOTS'er inde i et binært sort hul

Forskere ved Max Planck Institute for Gravitational Physics, Rochester Institute of Technology og Perimeter Institute for Theoretical Physics har for nylig samlet stærke numeriske beviser for et nyt fænomen, der finder sted i binære sorte hullers indre. I deres undersøgelse, udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , de indsamlede observationer, der kunne tilbyde spændende ny indsigt i sammensmeltningen af ​​marginalt ydre fangede overflader (MOTS'er) i et binært sort hul (BBH), et system bestående af to sorte huller i tæt kredsløb om hinanden.

"Det er en undervurderet kendsgerning, at begivenhedshorisonter i virkeligheden ikke er særlig nyttige til at studere astrofysiske egenskaber ved sorte huls fusioner, " fortalte forskerne Phys.org via e-mail. "Hvad der er meget mere nyttigt er overflader, der går under det kedelige navn af marginalt ydre fanget overflader (marginale overflader eller MOTS kort sagt). Dette uinteressante navn skjuler deres betydning for at forstå sorte huller."

I løbet af de sidste 15 til 20 år, to af forfatterne til det nylige papir, Badri Krishnan og Erik Schnetter, har udviklet måder at bruge marginale overflader til at beregne, blandt andet, sort huls masse og vinkelmomentum. På trods af deres resultater på dette område, de var ikke i stand til at besvare et nøglespørgsmål:smelter MOTS'er sammen i en BBH-sammensmeltning, og i så fald hvordan, Nemlig?

Forskerne var ivrige efter at finde ud af mere om denne fusion, samt at afsløre eventuelle interessante topologiske træk, der kan være skjult i den. Daniel Pook-Kolb, en anden forfatter til papiret og en ph.d. studerende ved Max Planck Institute, besluttede derfor at undersøge dette emne nærmere i sit speciale.

"For at forstå fusionen, vi er nødt til at lokalisere meget stærkt forvrængede marginale overflader, en numerisk udfordrende opgave, der besejrede alle tidligere undersøgelser, " sagde forskerne. "Vi udviklede en ny numerisk teknik til denne opgave og kom stadig tættere på fusionspunktet. Stadig, selv vores metoder virker ikke ekstremt tæt på fusionen, hvor overflader med spidser opstår."

Da forskerne ikke var i stand til at opnå den indsigt, de ledte efter i deres tidligere undersøgelser, de fortsatte med at lede efter forskellige veje til at undersøge fusionen af ​​MOTS'er i et BBH-system. Til sidst, Schnetter kom med en ny idé til at nærme sig dette emne, hvilket indebar at lede efter overflader med krydsende løkker.

Da han foreslog dette til resten af ​​holdet, Krishnan var noget skeptisk, da ingen tidligere litteratur havde udforsket denne idé før, men Pook-Kolb besluttede at undersøge det uanset og lede efter sådanne overflader. Til sidst viste det sig, at sådanne topologiske træk eksisterer, og at de kunne, faktisk, være generiske træk ved sorte hul-fusioner.

I det væsentlige, forskerne simulerede frontalkollisionen af ​​to ikke-snurrende sorte huller med ulige masser. I disse simuleringer, de observerede, at MOTS forbundet med det endelige sorte hul, der er et resultat af en BBH-fusion, forenes med de to oprindeligt usammenhængende overflader, der svarer til de to indledende sorte huller i systemet.

Dette resulterer i en forbundet sekvens af MOTS'er, der interpolerer mellem start- og sluttilstanden af ​​BBH, indtil fusionen mellem de to sorte huller til sidst finder sted. Ultimativt, deres resultater fremhæver en topologiændring i sammensmeltningen af ​​marginale overflader.

Observationerne samlet i deres simuleringer antyder også eksistensen af ​​en MOTS med selvkryds, der dannes umiddelbart efter fusionen. Forskerne, imidlertid, forventer, at endnu et af deres fund vil have langt større implikationer for fremtidige gravitationsbølgeobservationer.

"Da vi nu har en sekvens af marginale overflader, der fører os fra de to oprindeligt usammenhængende sorte huller til det sidste, vi kan i detaljer beregne, hvordan fysiske mængder af sorte huller opfører sig under fusionen, " sagde forskerne. "Det ville være særligt interessant at finde lignende træk i de observerede gravitationsbølgesignaler:Vi kan så med rette hævde, at vi observationsmæssigt forstår, hvad der sker inde i et sort huls begivenhedshorisont."

De numeriske beviser indsamlet af Pook-Kolb, Schnetter, Krishnan og deres kollega Ofek Birnholtz tilbyder fascinerende ny indsigt om BBH-fusioner. I fremtiden, deres observationer kunne bane vejen for nye undersøgelser, herunder forsøg på matematisk at bevise Penrose-uligheden for generiske astrofysiske BBH-konfigurationer.

Forskerne planlægger nu at forsøge at generalisere deres idé til andre sorte hul-fusioner, som dem, der observeres af LIGO-samarbejdet. Dette kunne gøre den teori, de kom med, brugbar af et meget større forskningsmiljø.

"Arbejdet med at generalisere vores idé til generiske fusioner er i gang, og de første resultater, der bygger på den samme teori, kommer nu, " sagde forskerne. "Vi er ekstremt spændte på at se, hvad der venter os i simuleringer af helt generelle realistiske fusioner!"

© 2019 Science X Network