Im Februar 2016 haben Wissenschaftler des Laserinterferometer-Gravitationswellenobservatoriums (LIGO) Geschichte geschrieben, als sie die erste Detektion von Gravitationswellen ankündigten. Diese Entdeckung bestätigte nicht nur eine jahrhundertealte Vorhersage von Einsteins Theorie der Allgemeinen Relativitätstheorie, sondern auch die Existenz von stellaren binären Schwarzen Löchern, die sich zusammenschlossen, um das Signal zu erzeugen.
Und jetzt hat ein internationales Team unter der Leitung des MIT-Astrophysikers Carl Rodriguez eine Studie erstellt, die darauf hinweist, dass Schwarze Löcher möglicherweise mehrmals verschmelzen. Ihrer Studie zufolge treten diese „Fusionen der zweiten Generation“ wahrscheinlich in Kugelhaufen auf, den großen und kompakten Sternhaufen, die typischerweise an den Rändern von Galaxien umkreisen - und die dicht mit Hunderttausenden bis Millionen von Sternen gefüllt sind.
Die Studie mit dem Titel „Post-Newtonsche Dynamik in dichten Sternhaufen: Hochexzentrische, stark drehende und wiederholte binäre Schwarzlochfusionen“ erschien kürzlich in der Briefe zur körperlichen Überprüfung. Die Studie wurde von Carl Rodriguez, einem Pappalardo-Fellow am MIT-Institut für Physik und am Kavli-Institut für Astrophysik und Weltraumforschung, geleitet und umfasste Mitglieder des Instituts für Weltraumwissenschaften und des Zentrums für interdisziplinäre Erforschung und Forschung in Astrophysik (CIERA).
Wie Carl Rodriguez kürzlich in einer Pressemitteilung des MIT erklärte:
„Wir glauben, dass sich diese Cluster aus Hunderten bis Tausenden von Schwarzen Löchern gebildet haben, die schnell in der Mitte versanken. Diese Arten von Clustern sind im Wesentlichen Fabriken für Binärdateien für Schwarze Löcher, in denen so viele Schwarze Löcher in einem kleinen Raumbereich hängen, dass zwei Schwarze Löcher verschmelzen und ein massiveres Schwarzes Loch erzeugen könnten. Dann kann dieses neue Schwarze Loch einen anderen Begleiter finden und wieder verschmelzen. “
Kugelhaufen waren eine Quelle der Faszination, seit Astronomen sie im 17. Jahrhundert zum ersten Mal beobachteten. Diese kugelförmigen Sternsammlungen gehören zu den ältesten bekannten Sternen im Universum und sind in den meisten Galaxien zu finden. Abhängig von der Größe und Art der Galaxie, die sie umkreisen, variiert die Anzahl der Cluster, wobei elliptische Galaxien Zehntausende beherbergen, während Galaxien wie die Milchstraße über 150 haben.
Seit Jahren untersucht Rodriguez das Verhalten von Schwarzen Löchern in Kugelhaufen, um festzustellen, ob sie mit ihren Sternen anders interagieren als Schwarze Löcher, die weniger dicht besiedelte Regionen im Weltraum besetzen. Um diese Hypothese zu testen, verwendeten Rodriguez und seine Kollegen den Quest-Supercomputer der Northwestern University, um Simulationen an 24 Sternhaufen durchzuführen.
Diese Cluster hatten eine Größe von 200.000 bis 2 Millionen Sternen und deckten eine Reihe unterschiedlicher Dichten und Metallzusammensetzungen ab. Die Simulationen modellierten die Entwicklung einzelner Sterne innerhalb dieser Cluster über einen Zeitraum von 12 Milliarden Jahren. Diese Zeitspanne reichte aus, um diesen Sternen zu folgen, während sie miteinander interagierten und schließlich schwarze Löcher bildeten.
Die Simulationen modellierten auch die Entwicklung und Flugbahn von Schwarzen Löchern, sobald sie sich gebildet hatten. Wie Rodriguez erklärte:
„Das Schöne ist, dass Schwarze Löcher die massereichsten Objekte in diesen Clustern sind und in die Mitte sinken, wo die Dichte der Schwarzen Löcher hoch genug ist, um Binärdateien zu bilden. Binäre Schwarze Löcher sind im Grunde genommen wie riesige Ziele, die im Cluster hängen, und wenn Sie andere Schwarze Löcher oder Sterne auf sie werfen, erleben sie diese verrückten chaotischen Begegnungen. “
Während frühere Simulationen auf Newtons Physik basierten, beschloss das Team, Einsteins relativistische Effekte in ihre Simulationen von Kugelsternhaufen aufzunehmen. Dies lag an der Tatsache, dass Gravitationswellen nicht durch Newtons Theorien vorhergesagt wurden, sondern durch Einsteins Theorie der Allgemeinen Relativitätstheorie. Wie Rodriguez angedeutet hatte, konnten sie sehen, wie Gravitationswellen eine Rolle spielten:
„Was die Leute in der Vergangenheit getan hatten, war, dies als ein rein Newtonsches Problem zu behandeln. Newtons Gravitationstheorie funktioniert in 99,9 Prozent aller Fälle. Die wenigen Fälle, in denen es nicht funktioniert, könnten sein, wenn zwei Schwarze Löcher sehr nahe beieinander sausen, was normalerweise in den meisten Galaxien nicht der Fall ist… In Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie, wo ich dann Gravitationswellen aussenden kann Wenn ein Schwarzes Loch in der Nähe eines anderen vorbeikommt, kann es tatsächlich einen winzigen Impuls von Gravitationswellen aussenden. Dies kann genug Energie vom System abziehen, dass die beiden Schwarzen Löcher tatsächlich gebunden werden, und dann werden sie schnell verschmelzen. “
Was sie beobachteten, war, dass innerhalb der Sternhaufen schwarze Löcher miteinander verschmelzen, um neue schwarze Löcher zu erzeugen. In früheren Simulationen sagte die Newtonsche Schwerkraft voraus, dass die meisten binären Schwarzen Löcher aus dem Cluster geworfen werden würden, bevor sie verschmelzen könnten. Unter Berücksichtigung relativistischer Effekte stellten Rodriguez und sein Team jedoch fest, dass fast die Hälfte der binären Schwarzen Löcher zu massiveren verschmolzen.
Wie Rodriguez erklärte, war der Unterschied zwischen denen, die fusionierten und denen, die rausgeschmissen wurden, auf die Drehung zurückzuführen:
„Wenn sich die beiden Schwarzen Löcher beim Zusammenführen drehen, sendet das von ihnen erzeugte Schwarze Loch Gravitationswellen in einer einzigen Vorzugsrichtung aus, wie eine Rakete, wodurch ein neues Schwarzes Loch entsteht, das bis zu 5.000 Kilometer pro Sekunde herausschießen kann. wahnsinnig schnell. Es dauert nur ein paar zehn bis hundert Kilometer pro Sekunde, um einem dieser Cluster zu entkommen. “
Dies warf eine weitere interessante Tatsache über frühere Simulationen auf, in denen Astronomen glaubten, dass das Produkt einer Fusion von Schwarzen Löchern aus dem Cluster geworfen werden würde, da angenommen wird, dass sich die meisten Schwarzen Löcher schnell drehen. Die kürzlich von LIGO erhaltenen Gravitationswellenmessungen scheinen dem jedoch zu widersprechen, da nur die Fusionen von binären Schwarzen Löchern mit geringen Spins festgestellt wurden.
Diese Annahme scheint jedoch den Messungen von LIGO zu widersprechen, das bisher nur binäre Schwarze Löcher mit geringen Spins entdeckt hat. Um die Auswirkungen zu testen, reduzierten Rodriguez und seine Kollegen die Spinraten der Schwarzen Löcher in ihren Simulationen. Sie fanden heraus, dass fast 20% der binären Schwarzen Löcher aus Clustern mindestens ein Schwarzes Loch hatten, das zwischen 50 und 130 Sonnenmassen lag.
Dies deutete im Wesentlichen darauf hin, dass es sich um Schwarze Löcher der „zweiten Generation“ handelte, da Wissenschaftler der Ansicht sind, dass diese Masse nicht durch ein Schwarzes Loch erreicht werden kann, das sich aus einem einzelnen Stern gebildet hat. Mit Blick auf die Zukunft gehen Rodriguez und sein Team davon aus, dass LIGO, wenn es ein Objekt mit einer Masse innerhalb dieses Bereichs entdeckt, wahrscheinlich darauf zurückzuführen ist, dass schwarze Löcher in einem dichten Sternhaufen verschmelzen und nicht von einem einzelnen Stern.
"Wenn wir lange genug warten, wird LIGO irgendwann etwas sehen, das nur von diesen Sternhaufen stammen könnte, weil es größer wäre als alles, was man von einem einzelnen Stern bekommen könnte", sagt Rodriguez. „Meine Co-Autoren und ich haben eine Wette gegen ein paar Leute, die die binäre Sternentstehung untersuchen, dass LIGO innerhalb der ersten 100 LIGO-Erkennungen etwas innerhalb dieser oberen Massenlücke erkennen wird. Ich bekomme eine schöne Flasche Wein, wenn das stimmt. “
Die Detektion von Gravitationswellen war eine historische Leistung, die es Astronomen ermöglicht hat, neue und aufregende Forschungen durchzuführen. Wissenschaftler gewinnen bereits neue Einblicke in Schwarze Löcher, indem sie das Nebenprodukt ihrer Fusionen untersuchen. In den kommenden Jahren können wir dank verbesserter Methoden und verstärkter Zusammenarbeit zwischen den Observatorien viel mehr lernen.
