W gęstych gromadach gwiazd może dochodzić do intensywnego wielokrotnego łączenia czarnych dziur

Screen z symulacji przedstawiającej łączenie dwóch czarnych dziur w gęstej gromadzie gwiazd. Źródło: Northwestern Visualization/Carl Rodriguez

Gdy detektory LIGO zarejestrowały pierwsze niewielkie wahania swoich identycznych zwierciadeł, sygnał nie stanowił jedynie pierwszej bezpośredniej obserwacji fal grawitacyjnych, potwierdził on także istnienie układów podwójnych czarnych dziur o masie gwiazdowej, które były źródłem zarejestrowanych fal grawitacyjnych.

Układy podwójne czarnych dziur o masie gwiazdowej powstają gdy dwie czarne dziury powstałe w skutek eksplozji masywnych gwiazd pod koniec ich życia, zaczynają krążyć wokół wspólnego środka masy. Z czasem czarne dziury łączą się w spektakularnym zderzeniu, które według ogólnej teorii względności Einsteina, powinno uwolnić olbrzymie ilości energii w postaci fal grawitacyjnych.

Obecnie międzynarodowy zespół badaczy kierowany przez Carla Rodrigueza, astrofizyka z MIT wskazuje, że czarne dziury mogą łączyć się w pary, a następnie łączyć się ze sobą wielokrotnie, prowadząc do powstania czarnych dziur masywniejszych od tych, które powstają wskutek eksplozji pojedynczych gwiazd. Te „procesy łączenia drugiej generacji” powinny zachodzić w gromadach kulistych – niewielkich obszarach przestrzeni, zazwyczaj na granicach galaktyk, w których upakowane są setki tysięcy czy nawet miliony gwiazd.

„Uważamy, że w takich gromadach mogły powstawać setki, a nawet tysiące czarnych dziur, które szybko tonęły ku centrum gromady” mówi Car Rodriguez z Kavli Institute for Astrophysics and Space Research. „Takie gromady gwiazd są praktycznie fabrykami układów podwójnych czarnych dziur, w których jest tak wiele czarnych dziur na małej przestrzeni, że dwie czarne dziury mogą połączyć się ze sobą stosunkowo szybko w masywniejszą czarną dziurę. Następnie taka nowa czarna dziura może znaleźć sobie partnera i połączyć się także z nim”.

Gdyby LIGO wykryło układ podwójny z czarną dziurą, której masa jest wyższa od około 50 mas Słońca, to zgodnie z wynikami badań uzyskanymi przez badaczy, istnieje duża szansa, że obiekt ten nie powstał z pojedynczych gwiazd, ale właśnie w centrum gęstej gromady gwiazd.

„Jeżeli poczekamy wystarczająco długo, to z czasem LIGO dostrzeże coś co może pochodzić jedynie z takich gromad gwiazd, ponieważ będzie t obiekt większy od tego co można uzyskać z pojedynczej gwiazdy”, mówi Rodriguez, który wraz ze swoimi współpracownikami opublikował wyniki swoich badań w artykule, który ukazał się w periodyku Physical Review Letters.

Przez ostatnich kilka lat Rodriguez badał zachowanie czarnych dziur w gromadach kulistych analizując czy oddziaływania między nimi różnią się od zachowania czarnych dziur przebywających w bardziej rozproszonych obszarach przestrzeni.

Gromady kuliste można znaleźć w większości galaktyk, a ich liczba rośnie wraz z rozmiarami galaktyki, wokół której krążą. Potężne galaktyki eliptyczne mogą posiadać dziesiątki tysięcy takich zbiorów gwiazd, podczas gdy wokół naszej Drogi Mlecznej krąży około 200, z których najbliższa oddalona jest od Ziemi o jakieś 7000 lat świetlnych.

W swoim nowym artykule Rodriguez wraz ze współpracownikami opisuje wykorzystanie superkomputera Quest w Northwestern University do stworzenia symulacji złożonych, dynamicznych interakcji we wnętrzu 24 gromad gwiazd, których rozmiary sięgały od 200 000 do 2 milionów gwiazd i charakteryzujących się różnymi gęstościami i metalicznością. W ramach symulacji modelowano ewolucję pojedynczych gwiazd na przestrzeni 12 miliardów lat, analizując interakcje między gwiazdami, a z czasem powstawanie i ewolucję czarnych dziur. Symulacje obejmowały także modelowanie trajektorii czarnych dziur po ich powstaniu.

Symulacja wskazująca spotkanie układu dwóch czarnych dziur (pomarańczowy) z pojedynczą czarną dziurą (niebieski) przy uwzględnieniu efektów relatywistycznych. Z czasem obie czarne dziury emitują fale grawitacyjne i się ze sobą łączą w nową czarną dziurę (czerwony). Źródło: MIT

„Ciekawe jest to, że z uwagi na fakt, że czarne dziury są najmasywniejszymi obiektami w tych gromadach, opadają one ku centrum gromady, gdzie i tak jest już dość dużo czarnych dziur do powstania układów podwójnych. Takie układy czarnych dziur są wielkimi tarczami strzelniczymi w gromadzie, w kierunku których przemieszczają się inne czarne dziury i gwiazdy – przez to mamy tam do czynienia z tymi szalonymi chaotycznymi spotkaniami różnych obiektów”.

Podczas prowadzenia swoich symulacji badacze dodali jeden kluczowy składnik, którego brakowało we wcześniejszych próbach symulowania gromad kulistych.

„W przeszłości traktowano te sytuacje jako problem czysto newtonowski” mówi Rodriguez. „Teoria grawitacji Newtona działa w 99,9% przypadków. Te kilka przypadków, w których nie działa, to mogą być właśnie sytuacje, w których dwie czarne dziury przelatują bardzo blisko siebie, co zazwyczaj się nie zdarza w większości galaktyk”.

Teoria względności Newtona zakłada, że gdyby istniały dwie niezwiązane ze sobą czarne dziury, nie wpływałyby jakoś szczególnie na siebie i po prostu przeszłyby obok siebie. To rozumowanie wynika z faktu, że Newton nie uwzględnił istnienia fal grawitacyjnych – których istnienie w obliczu zbliżenia do siebie dwóch masywnych obiektów, takich jak czarne dziury, dużo później przewidział Einstein.

„W ogólnej teorii względności Einsteina gdy jedna czarna dziura blisko mija drugą, mogą one wyemitować niewielki impuls fal grawitacyjnych”  tłumaczy Rodriguez. „To może zabrać wystarczająco dużo energii z tego układu, że obie czarne dziury wiążą się ze sobą i szybko się łączą w jedną czarną dziurę”.

Badacze postanowili dodać efekty relatywistyczne do swoich symulacji gromad kulistych. Po przeprowadzeniu symulacji zauważyli, że czarne dziury łączą się ze sobą w nowe czarne dziury, we wnętrzach samych gromad kulistych. Bez uwzględnienia efektów relatywistycznych, newtonowska grawitacja przewiduje, że większość układów dwóch czarnych dziur powinna zostać wyrzucona z gromady przez inne układy podwójne jeszcze zanim zdążą się one połączyć ze sobą. Jednak po uewzględnieniu efektów relatywistycznych, Rodriguez i jego współpracownicy odkryli, że niemal połowa układów dwóch czarnych dziur łączyła się w jeden obiekt we wnętrzu gromad kulistych, tworząc nowe pokolenie czarnych dziur masywniejszych od tych, które powstały w eksplozji pojedynczych gwiazd. Co się dzieje z tymi nowymi czarnymi dziurami wewnątrz gromad, to już kwestia spinu.

„Jeżeli obie czarne dziury rotują w momencie łączenia, czarna dziura, która powstanie w tym procesie będzie emitowała fale grawitacyjne w jednym wyróżnionym mierunku, niczym rakieta, tworząc nową czarną dziurę, która może wystrzelić nawet z prędkością 5000 kilometrów na sekundę – niewiarygodnie szybko”, mówi Rodriguez. „Wystarczy prędkość od kilkudziesięciu do stu kilometrów na sekundę, aby uciec z takiej gromady”.

Z uwagi na ten efekt, badacze zgadzają się, że wszelkie produkty takich procesów łączenia dwóch czarnych dziur szybko wyrzucane są z gromady macierzystej.

To założenie jednak wydaje się przeczyć pomiarom wykonywanym za pomocą LIGO, które jak dotąd pozwoliły na odkrycie podwójnych czarnych dziur jedynie o wolnym spinie. Aby przetestować skutki tego stanu rzeczy, Rodriguez obniżył tempo rotacji czarnych dziur w swoich symulacjach i odkrył, że w takiej sytuacji niemal 20 procent podwójnych czarnych dziur w gromadach posiada co najmniej jeden składnik, który powstał we wcześniejszym procesie łączenia czarnych dziur. Ponieważ takie składniki powstały z połączenia innych czarnych dziur, część tych czarnych dziur drugiej generacji może charakteryzować się masą od 50 do 130 mas Słońca. Naukowcy uważają, że czarne dziury o tej masie nie mogą powstawać z masywnych pojedynczych gwiazd.

Rodriguez dodaje, że jeżeli teleskopy rejestrujące fale grawitacyjne takie jak LIGO wykryją obiekt o masie w tym zakresie, istnieje duża szansa, że obiekt taki nie jest pozostałością po jednej gwieździe, ale pochodzi z gęstej gromady kulistej.

„Wraz ze swoimi współpracownikami założyłem się z kilkoma osobami badającymi gwiazdy podwójne, że w pierwszym 1000 detekcji LIGO znajdzie się co najmniej jeden obiekt w tym zakresie mas”  mówi Rodriguez. „Jeżeli tak będzie, otrzymam butelkę dobrego wina”.

Źródło: MIT