Gdy bliźniacze detektory LIGO odebrały słabe drgania w swoich lustrach, sygnał nie tylko zapewnił pierwszą bezpośrednią detekcję fal grawitacyjnych, ale potwierdził także istnienie układów podwójnych gwiazdowych czarnych dziur, z których ów sygnał dociera.
Gwiezdne układy podwójne czarnych dziur powstają, gdy dwie czarne dziury, utworzone z resztek masywnych gwiazd, zaczynają krążyć wokół siebie. W końcu łączą się ze sobą, w wyniku czego (zgodnie z teorią względności Einsteina) powinny zostać uwolnione ogromne ilości energii w postaci fal grawitacyjnych. Międzynarodowy zespół kierowany przez astrofizyka z MIT, Carla Rodrigueza, sugeruje, że czarne dziury mogą się łączyć i scalać wielokrotnie – i tworzyć czarne dziury masywniejsze niż te powstające z pojedynczych gwiazd. Takie „połączenia drugiej generacji” powinny następować w gromadach kulistych – małych obszarów przestrzeni, zwykle na obrzeżach galaktyk, które są wypełnione setkami tysięcy czy nawet milionami gwiazd.
Zespół uważa, że gromady kuliste powstały z setek do tysięcy czarnych dziur, które gwałtownie opadały do ich centrum. Tego rodzaju gromady są fabrykami podwójnych czarnych dziur, gdzie wiele z nich znajduje się na małych obszarach, w których dwie czarne dziury mogą połączyć się i utworzyć masywniejszą czarną dziurę. Wtedy taka nowa czarna dziura może znaleźć towarzysza i z kolei z nim się połączyć. Jeżeli instrument LIGO wykryje układ podwójny, w którym jednym składnikiem jest czarna dziura o masie większej niż ok. 50 mas Słońca, to zgodnie z wynikami uzyskanymi przez omawianą grupę badaczy istnieje duża szansa, że obiekt nie powstał z pojedynczych gwiazd, ale z gęstej gromady gwiazd.
W ciągu ostatnich kilku lat Rodriguez badał zachowanie czarnych dziur w gromadach kulistych oraz to, czy ich interakcje różnią się od czarnych dziur zajmujących mniej zaludnione regiony w kosmosie. Gromady kuliste można znaleźć w większości galaktyk, a ich liczba zależna jest od rozmiaru galaktyki. Na przykład ogromne, eliptyczne galaktyki posiadają dziesiątki tysięcy tych gwiezdnych skupisk, podczas gdy Droga Mleczna zawiera ich około 200, a najbliższa gromada znajduje się w odległości około 7 tysięcy lat świetlnych od Ziemi.
W nowym artykule Rodriguez i jego współpracownicy donoszą o użyciu superkomputera o nazwie Quest znajdującego się na Northwestern University w Evanston w stanie Illinois aby zasymulować złożone, dynamiczne interakcje w 24 gromadach gwiazd o rozmiarach od 200 tysięcy do 2 milionów gwiazd o różnej gęstości i składzie metalicznym. Symulacje modelują ewolucję pojedynczych gwiazd w obrębie tych gromad na przestrzeni ponad 12 miliardów lat, podążając za ich interakcjami z innymi gwiazdami i, ostatecznie, za formowaniem się i ewolucją czarnych dziur. Symulacje modelują również trajektorie czarnych dziur, kiedy te się uformowały.
Podczas prowadzenia symulacji naukowcy dodali kluczowy składnik, którego brakowało we wcześniejszych próbach symulujących gromady kuliste. Teoria względności Newtona zakłada, że gdyby czarne dziury były początkowo niepowiązane, żadna z nich nie wpłynęłaby na inną – zwyczajnie przechodziły by obok siebie, bez żadnych zmian. Rozumowanie to wynika z faktu, że Newton nie zakładał istnienia fal grawitacyjnych, które potem Einstein przewidział jako pochodzące od masywnych orbitujących obiektów, takich jak np. czarne dziury w bliskim sąsiedztwie.
Zespół postanowił dodać efekty relatywistyczne Einsteina do symulacji gromad galaktyk. Po ich przeprowadzeniu zaobserwowali, że czarne dziury łączą się ze sobą i tworzą nowe czarne dziury wewnątrz samych gromad gwiazd. Bez efektów relatywistycznych grawitacja Newtona przewiduje, że większość podwójnych czarnych dziur zostanie wyrzucona z gromady przez inne czarne dziury, zanim te się połączą. Jednak po wzięciu pod uwagę efektów relatywistycznych Rodriguez i jego zespół odkryli, że prawie połowa podwójnych czarnych dziur łączy się wewnątrz swoich gromad gwiazd i tworzy nową generację czarnych dziur, bardziej masywnych niż te powstałe z gwiazd. To, co dzieje się z nowymi czarnymi dziurami wewnątrz gromady, jest uzależnione od ich spinu.
Wydaje się jednak, że założenie to jest sprzeczne z pomiarami instrumentu LIGO, który do tej pory wykrywał tylko podwójne czarne dziury ze słabymi spinami. Rodriguez dobrał spiny czarnych dziur w swoich symulacjach i odkrył, że w tym scenariuszu prawie 20% podwójnych czarnych dziur w gromadach miało co najmniej jedną czarną dziurę, która powstała z poprzedniego połączenia. Ponieważ powstały one z innych czarnych dziur, niektóre mogą mieć od 50 do 130 mas Słońca.
Opracowanie: Agnieszka Nowak
Więcej:
Dense stellar clusters may foster black hole megamergers
Źródło: MIT
Na zdjęciu: Migawka symulacji, pokazująca podwójną czarną dziurę uformowaną w środku gęstej gromady gwiazd. Źródło: Northwestern Visualization/Carl Rodriguez
