I februar 2016 lavede videnskabsfolk, der arbejdede for Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) historie, da de annoncerede den første nogensinde påvisning af gravitationsbølger. Ikke kun bekræftede denne opdagelse en hundrede år gammel forudsigelse foretaget af Einsteins teori om generel relativitet, den bekræftede også eksistensen af stjernernes binære sorte huller - som fusionerede for at producere signalet i første omgang.
Og nu har et internationalt hold ledet af MIT-astrofysiker Carl Rodriguez udarbejdet en undersøgelse, der antyder, at sorte huller kan smelte sammen flere gange. I henhold til deres undersøgelse forekommer disse "anden generation af fusioner" sandsynligvis inden for kugleformede klynger, de store og kompakte stjerne klynger, der typisk går i kanten af galakser - og som er tætpakket med hundreder af tusinder til millioner af stjerner.
Undersøgelsen med titlen "Post-Newtonian Dynamics in Tight Star Clusters: Highly Excentric, Highly Spinning and Repeated Binary Black Hole Fusion", dukkede for nylig op i Fysiske gennemgangsbreve. Undersøgelsen blev ledet af Carl Rodriguez, en pappalardo-stipendiat i MITs Institut for Fysik og Kavli Institute for Astrophysics and Space Research og omfattede medlemmer fra Institute of Space Sciences og Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA).
Som Carl Rodriguez forklarede i en nylig MIT-pressemeddelelse:
”Vi tror, at disse klynger blev dannet med hundreder til tusinder af sorte huller, der hurtigt sank ned i midten. Disse slags klynger er i det væsentlige fabrikker til sort hulbinarier, hvor du har så mange sorte huller hængende i et lille område af rummet, at to sorte huller kunne flette og producere et mere massivt sort hul. Så kan det nye sorte hul finde en anden ledsager og fusionere igen. ”
Globulære klynger har været en kilde til fascination lige siden astronomer først observerede dem i det 17. århundrede. Disse sfæriske stjerner af stjerner er blandt de ældste kendte stjerner i universet og kan findes i de fleste galakser. Afhængigt af størrelsen og typen af galakse, de går i kredsløb, varierer antallet af klynger med elliptiske galakser, der er vært for titusinder, mens galakser som Mælkevejen har over 150.
I årevis har Rodriguez undersøgt opførsel af sorte huller i kugleformede klynger for at se, om de interagerer med deres stjerner forskelligt fra sorte huller, der optager mindre tætbefolkede regioner i rummet. For at teste denne hypotese brugte Rodriguez og hans kolleger Quest-supercomputeren ved Northwestern University til at udføre simuleringer af 24 stjerneklynger.
Disse klynger varierede i størrelse fra 200.000 til 2 millioner stjerner og dækkede en række forskellige tætheder og metalliske sammensætninger. Simuleringerne modellerede udviklingen af individuelle stjerner inden for disse klynger i løbet af 12 milliarder år. Denne tidsperiode var nok til at følge disse stjerner, da de interagerede med hinanden og til sidst dannede sorte huller.
Simuleringerne modellerede også udviklingen og banen til sorte huller, når de dannede sig. Som Rodriguez forklarede:
”Den pæne ting er, fordi sorte huller er de mest massive genstande i disse klynger, de synker ned til midten, hvor du får en høj nok tæthed af sorte huller til at danne binære dele. Binære sorte huller er dybest set som kæmpe mål, der hænger ud i klyngen, og når du kaster andre sorte huller eller stjerner på dem, gennemgår de disse skøre kaotiske møder. ”
Mens tidligere simuleringer var baseret på Newtons fysik, besluttede teamet at tilføje Einsteins relativistiske effekter i deres simuleringer af kugleklynger. Dette skyldtes, at gravitationsbølger ikke blev forudsagt af Newtons teorier, men af Einsteins teori om generel relativitet. Som Rodriguez antydede, gav dette mulighed for at se, hvordan gravitationsbølger spillede en rolle:
”Hvad folk havde gjort i fortiden var at behandle dette som et rent newtonskt problem. Newtons teori om tyngdekraft fungerer i 99,9 procent af alle tilfælde. De få tilfælde, hvor det ikke fungerer, kan være, når man har to sorte huller, der suser tæt ved hinanden, hvilket normalt ikke sker i de fleste galakser ... I Einsteins teori om generel relativitet, hvor jeg kan udsende tyngdekraftsbølger, så når det ene sorte hul passerer i nærheden af det andet, kan det faktisk udsende en lille puls af tyngdekraftsbølger. Dette kan trække nok energi fra systemet til, at de to sorte huller faktisk bliver bundet, og så vil de hurtigt smelte sammen. ”
Hvad de observerede var, at inden i de stjerneklynger, sorte huller smelter sammen til hinanden for at skabe nye sorte huller. I tidligere simuleringer forudsagde den newtonske tyngdekraft, at de fleste binære sorte huller ville blive sparket ud af klyngen, før de kunne smelte sammen. Men ved at tage relativistiske effekter i betragtning fandt Rodriguez og hans team, at næsten halvdelen af de binære sorte huller fusionerede for at danne mere massive.
Som Rodriguez forklarede, kom forskellen mellem dem, der fusionerede, og dem, der blev sparket ud, ned for at dreje:
”Hvis de to sorte huller snurrer, når de smelter sammen, udsender det sorte hul, de skaber, gravitationsbølger i en enkelt foretrukket retning, som en raket, hvilket skaber et nyt sort hul, der kan skyde ud så hurtigt som 5.000 kilometer i sekundet - så, sindssygt hurtigt. Det tager kun et spark på måske nogle titusler til hundrede kilometer i sekundet for at undslippe en af disse klynger. ”
Dette rejste endnu en interessant kendsgerning om tidligere simuleringer, hvor astronomer troede, at produktet af enhver sort hulfusion ville blive sparket ud af klyngen, da de fleste sorte huller antages at blive hurtigt at dreje. Imidlertid synes tyngdekraftsmålingerne, der for nylig er opnået fra LIGO, at være i modstrid med dette, hvilket kun har fundet sammenlægningerne af binære sorte huller med lave spins.
Denne antagelse synes imidlertid at være i modstrid med målingerne fra LIGO, der hidtil kun har detekteret binære sorte huller med lave spins. For at teste konsekvenserne af dette reducerede Rodriguez og hans kolleger rotationshastigheden for de sorte huller i deres simuleringer. Hvad de fandt var, at næsten 20% af de binære sorte huller fra klynger havde mindst et sort hul, der spænder fra at være 50 til 130 solmasser.
I det væsentlige indikerede dette, at dette var ”anden generation” sorte huller, da forskere mener, at denne masse ikke kan opnås med et sort hul, der er dannet af en enkelt stjerne. Når vi ser fremad, forventer Rodriguez og hans team, at hvis LIGO opdager en genstand med en masse inden for dette interval, er det sandsynligvis resultatet af, at sorte huller smelter sammen i en tæt stjerneklynge snarere end fra en enkelt stjerne.
”Hvis vi venter længe nok, vil LIGO til sidst se noget, der kun kunne være kommet fra disse stjerne klynger, fordi det ville være større end noget andet man kunne få fra en enkelt stjerne,” siger Rodriguez. ”Mine medforfattere og jeg har en indsats mod et par mennesker, der studerer binær stjernedannelse, at inden for de første 100 LIGO-detektioner vil LIGO registrere noget inden for dette øvre massegab. Jeg får en dejlig flaske vin, hvis det sker. ”
Påvisning af tyngdekraftsbølger var en historisk præstation, og en, der har gjort det muligt for astronomer at udføre ny og spændende forskning. Allerede får forskere ny indsigt i sorte huller ved at studere biproduktet ved deres fusioner. I de kommende år kan vi forvente at lære meget mere takket være forbedrede metoder og øget samarbejde mellem observatorier.
