I februar 2016 gjorde forskere som jobbet for Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) historie da de kunngjorde den første deteksjonen av gravitasjonsbølger noensinne. Ikke bare bekreftet denne oppdagelsen en hundre år gammel forutsigelse laget av Einsteins teori om generell relativitet, den bekreftet også eksistensen av stjerners binære sorte hull - som fusjonerte for å produsere signalet i utgangspunktet.
Og nå har et internasjonalt team ledet av MIT-astrofysiker Carl Rodriguez produsert en studie som antyder at sorte hull kan slå seg sammen flere ganger. I følge deres studie forekommer disse “andre generasjons sammenslåingene” sannsynligvis innenfor kuleklynger, de store og kompakte stjerneklyngene som typisk går i kanten av galakser - og som er tettpakket med hundretusener til millioner av stjerner.
Studien, med tittelen “Post-Newtonian Dynamics in Dense Star Clusters: Highly Exentric, Highly Spinning and Repeated Binary Black Hole Fergers”, dukket nylig opp i Fysiske gjennomgangsbrev. Studien ble ledet av Carl Rodriguez, en pappalardo stipendiat i MITs Department of Physics og Kavli Institute for Astrophysics and Space Research, og inkluderte medlemmer fra Institute of Space Sciences og Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA).
Som Carl Rodriguez forklarte i en fersk MIT-pressemelding:
”Vi tror disse klyngene ble dannet med hundrevis til tusenvis av sorte hull som raskt sank ned i sentrum. Denne typen klynger er i hovedsak fabrikker for svart hullbinarier, hvor du har så mange sorte hull som henger i et lite område med plass at to sorte hull kan slå seg sammen og produsere et mer massivt svart hull. Da kan det nye sorte hullet finne en annen følgesvenn og slå seg sammen igjen. ”
Globulære klynger har vært en kilde til fascinasjon helt siden astronomer først observerte dem på 1600-tallet. Disse sfæriske stjernesamlingene er blant de eldste kjente stjernene i universet, og kan finnes i de fleste galakser. Avhengig av størrelsen og typen galakse de går i bane, varierer antall klynger, med elliptiske galakser som er vertskap for titusenvis mens galakser som Melkeveien har over 150.
I mange år har Rodriguez undersøkt oppførselen til sorte hull i kuleklynger for å se om de samhandler med stjernene sine annerledes enn sorte hull som opptar mindre tettbygde regioner i verdensrommet. For å teste denne hypotesen brukte Rodriguez og kollegene Quest-superdatamaskinen ved Northwestern University for å utføre simuleringer på 24 stjerneklynger.
Disse klyngene varierte i størrelse fra 200 000 til 2 millioner stjerner og dekket en rekke forskjellige tettheter og metalliske komposisjoner. Simuleringene modellerte utviklingen av individuelle stjerner i disse klyngene i løpet av 12 milliarder år. Denne tidsperioden var nok til å følge disse stjernene da de samhandlet med hverandre, og til slutt dannet sorte hull.
Simuleringene modellerte også utviklingen og banen til svarte hull når de dannet seg. Som Rodriguez forklarte:
"Det pene er at fordi sorte hull er de mest massive objektene i disse klyngene, synker de til sentrum, hvor du får en høy nok tetthet av sorte hull til å danne binær. Binære sorte hull er i utgangspunktet som gigantiske mål som henger i klyngen, og når du kaster andre sorte hull eller stjerner på dem, gjennomgår de disse vanvittige kaotiske møtene. ”
Mens tidligere simuleringer var basert på Newtons fysikk, bestemte teamet å legge Einsteins relativistiske effekter til simuleringene av kuleklynger. Dette skyldtes det faktum at gravitasjonsbølger ikke ble spådd av Newtons teorier, men av Einsteins teori om generell relativitet. Som Rodriguez antydet, tillot dette for dem å se hvordan gravitasjonsbølger spilte en rolle:
”Det folk hadde gjort tidligere var å behandle dette som et rent newtonsk problem. Newtons teori om tyngdekraft fungerer i 99,9 prosent av alle tilfeller. De få tilfellene der det ikke fungerer, kan være når du har to sorte hull som suser veldig nær hverandre, noe som normalt ikke skjer i de fleste galakser ... I Einsteins teori om generell relativitet, hvor jeg kan avgi gravitasjonsbølger, når det ene sorte hullet passerer i nærheten av det andre, kan det faktisk avgi en liten puls av tyngdekraftsbølger. Dette kan trekke fra nok energi fra systemet til at de to sorte hullene faktisk blir bundet, og så vil de raskt fusjonere. ”
Det de observerte var at inne i stjerneklyngene smelter sorte hull sammen med hverandre for å skape nye sorte hull. I tidligere simuleringer spådde Newtonian gravity at de fleste binære sorte hull ville bli kastet ut av klyngen før de kunne slå seg sammen. Men ved å ta hensyn til relativistiske effekter, fant Rodriguez og teamet hans at nesten halvparten av de binære sorte hullene slo seg sammen for å danne mer massive.
Som Rodriguez forklarte, kom forskjellen mellom de som slo seg sammen og de som ble sparket ut til å snurre:
"Hvis de to sorte hullene snurrer når de smelter sammen, vil det sorte hullet de lager avgi gravitasjonsbølger i én foretrukket retning, som en rakett, og skape et nytt svart hull som kan skyte ut så raskt som 5000 kilometer i sekundet - så, sinnsykt fort. Det tar bare et spark på noen titalls til hundre kilometer i sekundet for å unnslippe en av disse klyngene. ”
Dette reiste et annet interessant faktum om tidligere simuleringer, der astronomer trodde at produktet av enhver fusjon av svart hull ville bli kastet ut av klyngen, siden de fleste sorte hull antas å snurre raskt. Imidlertid ser det ut som om tyngdekraftsmålingene nylig er oppnådd fra LIGO motsier dette, som bare har oppdaget sammenslåingen av binære sorte hull med lave spinn.
Denne antakelsen ser imidlertid ut til å være i strid med målingene fra LIGO, som hittil bare har påvist binære sorte hull med lave spinn. For å teste implikasjonene av dette, reduserte Rodriguez og kollegene sentrifugeringsratene for de sorte hullene i simuleringene sine. Det de fant var at nesten 20% av de binære sorte hullene fra klynger hadde minst ett svart hull som varierte fra å være 50 til 130 solmasser.
I hovedsak indikerte dette at dette var "andre generasjon" sorte hull, siden forskere mener at denne massen ikke kan oppnås med et svart hull som er dannet fra en enkelt stjerne. Når vi ser fremover, forventer Rodriguez og teamet hans at hvis LIGO oppdager en gjenstand med en masse innenfor dette området, er det sannsynligvis resultatet av at sorte hull slås sammen i tett stjerneklynge, i stedet for fra en enkelt stjerne.
"Hvis vi venter lenge nok, vil LIGO til slutt se noe som bare kunne ha kommet fra disse stjerneklyngene, fordi det ville være større enn noe du kan få fra en enkelt stjerne," sier Rodriguez. ”Mine medforfattere og jeg satser på et par mennesker som studerer binærstjernedannelse at innen de første 100 LIGO-deteksjonene vil LIGO oppdage noe innenfor dette øvre massegapet. Jeg får en fin flaske vin hvis det skjer. "
Deteksjonen av gravitasjonsbølger var en historisk bragd, og en som har gjort det mulig for astronomer å utføre ny og spennende forskning. Allerede får forskere ny innsikt i sorte hull ved å studere biproduktet til sammenslåingen deres. I de kommende årene kan vi forvente å lære mye mer takket være forbedrede metoder og økt samarbeid mellom observatorier.
