Przepychanki w centrum gromady kulistej źródłem czarnych dziur wykrytych przez LIGO

5761be99c1e08

Astrofizycy z Northwestern University przewidzieli historię. W najnowszym badaniu naukowcy wykazali, że ich przewidywania teoretyczne z ubiegłego roku były prawidłowe: historyczne połączenie dwóch masywnych czarnych dziur, wykryte 14 września 2015 roku – mogło być spowodowane przez dynamiczne interakcje w gęstym jądrze starej gromady kulistej.

Tego typu układy dwóch czarnych dziur powstają w chaotycznym tańcu grawitacyjnym ciał gęsto upakowanych w centrum gromady kulistej, skąd są grawitacyjnie wyrzucane i w końcu łączą się w jedną, większą czarną dziurę. Taka teoria znana jako teoria dynamicznego formowania jest jednym z dwóch sposobów wytłumaczenia powstawania tego typu układów dwóch czarnych dziur.

Pierwsza detekcja fal grawitacyjnych wyemitowanych podczas łączenia się dwóch czarnych dziur, zarejestrowana przez obserwatorium LIGO idealnie zgadza się z modelem dynamicznego formowania opracowanym przez zespół badawczy z Northwestern University.

Zderzenie dwóch czarnych dziur nie prowadzi do wyemitowania promieniowania widzialnego, jednak niesamowicie duża ilość energii emitowana jest w postaci fal grawitacyjnych. Pierwsza detekcja fal grawitacyjnych miała miejsce 14 września 2015 roku, a druga – ogłoszona zaledwie kilkanaście godzin temu – miała miejsce trzy miesiące później. Te dwie obserwacje stanowią początek nowej ery w astronomii: ery, w której do badań kosmosu wykorzystywane są badania fal grawitacyjnych.

„Dzięki obserwatorium LIGO, nie jesteśmy już tylko teoretykami – teraz mamy konkretne dane obserwacyjne,” mówi Frederic A. Rasio, astrofizyk teoretyczny z Northwestern oraz jeden z autorów opracowania. „Stosunkowo prosty i dobrze zrozumiały przez nas proces wydaje się sprawdzać. Do wytłumaczenia oddziaływań grawitacyjnych pierwszych wykrytych przez LIGO czarnych dziur wystarczy podstawowa fizyka – pierwsze prawo Newtona.”

Połączenie dwóch czarnych dziur jest bardzo gwałtownym i egzotycznym zjawiskiem. Rasio wraz ze swoim zespołem wykorzystał modele gromad kulistych – sferycznych zbiorów nawet miliona gęsto upakowanych gwiazd, powszechnych we Wszechświecie – do zademonstrowania, że typowa gromada może naturalnie doprowadzić do powstania układu dwóch czarnych dziur, które z czasem połączą się w jedną, większą czarną dziurę.

Ich złożony model komputerowy pozwala także na oszacowanie liczby możliwych do wykrycia przez LIGO zjawisk tego typu: około 100 rocznie. Model także wskazuje gdzie we Wszechświecie znajdują się układy dwóch czarnych dziur, jak dawno temu się ze sobą łączyły, oraz jakimi masami się charakteryzują.

„Podstawowe procesy fizyczne sprawiają, że masywne czarne dziury przemieszczają się do centrum gromady,” mówi Rasio. „Takie pary z czasem łączą się w jedną czarną dziurę – właśnie to zjawisko rejestrowane jest przez obserwatorium LIGO.”

„Uważamy, że do końca tej dekady LIGO wykryje setki, a nawet tysiące układów podwójnych składających się z czarnych dziur,” dodaje Rodriguez.

Rasio i Rodriguez są członkami Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA) na Northwestern University.

W ramach swoich badań, Rasio, Rodriguez wraz ze współpracownikami szczegółowo opisali procesy interakcji dynamicznych, które mogą prowadzić do powstawania podwójnych układów czarnych dziur.

Źródło: Northwestern University