Gęste gromady gwiazd mogą sprzyjać powstawaniu czarnych dziur z wielu połączeń

Gdy bliźniacze detektory LIGO najpierw 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 czarne dziury łączą się ze sobą, zderzając, w wyniku czego zgodnie z teorią względności Einsteina powinny zostać uwolnione ogromne ilości energii w postaci fal grawitacyjnych.

Obecnie, międzynarodowy zespół, kierowany przez astrofizyka z MIT, Carla Rodrigueza, sugeruje, że czarne dziury mogą się łączyć i scalać wielokrotnie, tworząc czarne dziury masywniejsze niż te, jakie tworzą pojedyncze gwiazdy. Takie „połączenia drugiej generacji” powinny pochodzić z gromad 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 centrum. Tego rodzaju gromady są fabrykami podwójnych czarnych dziur, gdzie wiele z nich znajduje się w małych regionach przestrzeni, w których dwie czarne dziury mogą połączyć się tworząc masywniejszą czarną dziurę. Wtedy ta nowa czarna dziura może znaleźć towarzysza i ponownie się połączyć.

Jeżeli LIGO wykryje układ podwójny, w którym jednym składnikiem jest czarna dziura o masie większej, niż ok. 50 mas Słońca, to zgodnie z wynikami grupy 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 ma około 200, a najbliższa gromada znajduje się w odległości około 7 000 lat świetlnych od Ziemi.

W swoim nowym artykule Rodriguez i jego współpracownicy donoszą o użyciu superkomputera o nazwie Quest, w Northwestern University aby zasymulować złożone, dynamiczne interakcje w 24 gromadach gwiazd o rozmiarach od 200 000 do 2 milionów gwiazd i pokrywających wiele różnych gęstości oraz składów metalicznych. Symulacje modelują ewolucje 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 niezwiązane, 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, tworząc nowe 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 biorąc pod uwagę efekty relatywistyczne, Rodriguez i jego koledzy odkryli, że prawie połowa podwójnych czarnych dziur łączy się wewnątrz swoich gromad gwiazd, tworząc 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 LIGO, który do tej pory wykrywał tylko podwójne czarne dziury ze słabymi spinami. Aby zbadać implikację tego, 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 z nowo powstałych 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