2016 m. Vasario mėn. Lazerinių interferometrų gravitacinių bangų observatorijoje (LIGO) dirbantys mokslininkai padarė istoriją, kai paskelbė pirmą kartą aptikę gravitacines bangas. Šis atradimas ne tik patvirtino šimtmečio senumo numatytą Einšteino bendrosios reliatyvumo teorijos teoriją, bet ir patvirtino, kad egzistuoja žvaigždžių dvejetainės juodosios skylės - jos susiliejo ir pirmiausia signalą.
O dabar tarptautinė komanda, vadovaujama MIT astrofiziko Carlo Rodriguezo, parengė tyrimą, kuriame teigiama, kad juodosios skylės gali susijungti kelis kartus. Jų tyrimo duomenimis, šie „antros kartos susiliejimai“ greičiausiai įvyks rutuliniuose spiečiuose - dideliuose ir kompaktiškuose žvaigždžių spiečiuose, kurie paprastai orbituojasi galaktikų pakraščiuose ir kurie yra tankiai supakuoti su šimtais tūkstančių iki milijonų žvaigždžių.
Tyrimas, pavadintas „Post-Niutono dinamika tankių žvaigždžių spiečiuose: labai ekscentriškas, stipriai besisukantis ir pakartotinis dvejetainis juodųjų skylių susijungimas“, neseniai pasirodė Fizinės apžvalgos raštai. Tyrimui vadovavo Carl Rodriguez, Pappalardo bendradarbis iš MIT Fizikos departamento ir Kavli astrofizikos ir kosmoso tyrimų instituto. Tyrime dalyvavo kosminio mokslo instituto ir Astrofizikos tarpdisciplininių tyrinėjimų ir tyrimų centro (CIERA) nariai.
Kaip Carl Rodriguez paaiškino naujausiame MIT pranešime spaudai:
„Manome, kad šios grupės susiformavo su šimtais ar tūkstančiais juodųjų skylių, kurios greitai nuskendo centre. Tokios grupės yra iš esmės juodųjų skylių dvejetainių failų gamyklos, kuriose yra tiek daug juodųjų skylių, kurios kabėjo mažame erdvės regione, kad dvi juodosios skylės galėtų susilieti ir susidaryti masyvesnė juodoji skylė. Tuomet naujoji juodoji skylė gali susirasti kitą kompanioną ir vėl susijungti. “
Nuo tada, kai astronomai pirmą kartą juos pastebėjo XVII amžiuje, pasaulinio masto klasteriai susižavėjo. Šios sferinės žvaigždžių kolekcijos yra vienos seniausių žinomų žvaigždžių Visatoje ir jų galima rasti daugumoje galaktikų. Priklausomai nuo galaktikos dydžio ir tipo, kuria jos orbita, klasterių skaičius skiriasi: elipsinėse galaktikose telpa dešimtys tūkstančių, o galaktikų, tokių kaip Paukščių Takas, yra daugiau nei 150.
Rodriguezas daugelį metų tyrinėjo juodųjų skylių elgesį rutuliniuose spiečiuose, norėdamas sužinoti, ar jos sąveikauja su savo žvaigždėmis kitaip, nei juodosios skylės, užimančios mažiau tankiai apgyvendintus kosmoso regionus. Norėdami patikrinti šią hipotezę, Rodriguezas ir jo kolegos naudojo „Quest“ superkompiuterį Šiaurės Vakarų universitete, norėdami atlikti 24 žvaigždžių grupių modeliavimą.
Šių klasterių dydis svyravo nuo 200 000 iki 2 milijonų žvaigždžių ir apėmė daugybę skirtingų tankių ir metalinių kompozicijų. Modeliavimas modeliuoja atskirų žvaigždžių evoliuciją šiuose spiečiuose per 12 milijardų metų. Tokio laiko pakako, kad būtų galima sekti šias žvaigždes, nes jos sąveikavo viena su kita, ir galiausiai susidarė juodosios skylės.
Modeliavimas taip pat modeliuoja juodųjų skylių evoliuciją ir trajektorijas, kai jos susiformavo. Kaip paaiškino Rodriguezas:
Tvarkingas dalykas yra tai, kad juodosios skylės yra patys masyviausi šių klasterių objektai, jos nusileidžia į centrą, kur yra pakankamai didelis juodųjų skylių tankis, kad būtų sudarytos dvejetainės dalys. Dvejetainės juodosios skylės iš esmės yra panašios į milžiniškus taikinius, kurie kabo klasteryje. Kai mes į juos išmetate kitas juodąsias skyles ar žvaigždes, jie patiria šias beprotiškas chaotiškas situacijas. “
Ankstesni modeliavimai buvo grindžiami Niutono fizika, tačiau komanda nusprendė įtraukti Einsteino reliatyvistinį efektą į savo modelinių rutulinių klasterių modeliavimą. Taip buvo dėl to, kad gravitacines bangas negalėjo numatyti Niutono teorijos, bet Einšteino bendrojo reliatyvumo teorija. Kaip nurodė Rodriguezas, tai leido jiems pamatyti, koks buvo gravitacinių bangų vaidmuo:
„Tai, ką praeityje žmonės darė, buvo traktuoti kaip grynai Niutono problemą. Niutono gravitacijos teorija veikia 99,9 proc. Visų atvejų. Keletas atvejų, kai tai neveikia, gali būti, kai turite dvi juodąsias skylutes, kurios labai glaudžiasi viena prie kitos, o tai dažniausiai neįvyksta daugumoje galaktikų ... Einšteino bendrosios reliatyvumo teorijoje, kur aš galiu skleisti gravitacines bangas, tada kai viena juodoji skylė praeina šalia kitos, ji iš tikrųjų gali skleisti mažą gravitacinių bangų impulsą. Tai gali iš sistemos atimti pakankamai energijos, kad abi juodosios skylės iš tikrųjų susisieja, ir tada jos greitai susijungia. “
Jie pastebėjo, kad žvaigždžių grupių viduje juodosios skylės susilieja viena su kita, kad susidarytų naujos juodosios skylės. Ankstesniuose simuliacijose Niutono gravitacija numatė, kad dauguma dvejetainių juodųjų skylių bus išstumtos iš spiečiaus, kol jos galėtų susijungti. Tačiau, atsižvelgdamas į reliatyvistinį poveikį, Rodrigesas ir jo komanda nustatė, kad beveik pusė dvejetainių juodųjų skylių susiliejo ir sudarė masyvesnes.
Kaip paaiškino Rodriguezas, skirtumas tarp tų, kurie susijungė, ir tų, kurie buvo išvaryti, paaiškėjo:
„Jei dvi juodosios skylės susisuka, jų sukurta juodoji skylė skleis gravitacines bangas viena pageidaujama kryptimi, kaip raketa, sukurdama naują juodąją skylę, galinčią iššauti net 5000 kilometrų per sekundę greičiu - taigi, beprotiškai greitai. Norint išvengti vienos iš šių grupių, užtenka kelių dešimčių iki šimto kilometrų per sekundę smūgio. “
Tai sukėlė dar vieną įdomų faktą apie ankstesnius modeliavimus, kai astronomai tikėjo, kad bet kokio juodųjų skylių sujungimo produktas bus išmestas iš klasterio, nes manoma, kad dauguma juodųjų skylių greitai sukasi. Tačiau atrodo, kad neseniai iš LIGO gauti gravitacinių bangų matavimai tam prieštaravo, o tai tik nustatė dvejetainių juodųjų skylių susijungimus su mažais sukimais.
Tačiau ši prielaida, atrodo, prieštarauja matavimams iš LIGO, kuris iki šiol aptiko tik dvejetaines juodąsias skylutes su mažais sukimais. Norėdami patikrinti šio reiškinio pasekmes, Rodriguezas ir jo kolegos modeliuodami sumažino juodųjų skylių sukimosi greitį. Jie nustatė, kad beveik 20% dvejetainių juodųjų skylių iš klasterių buvo bent viena juodoji skylė nuo 50 iki 130 saulės masių.
Iš esmės tai reiškė, kad tai buvo „antros kartos“ juodosios skylės, nes mokslininkai mano, kad šios masės neįmanoma pasiekti iš vienos žvaigždės susidariusios juodosios skylės. Žvelgiant į ateitį, Rodrigesas ir jo komanda tikisi, kad jei LIGO aptinka objektą, kurio masė yra šio diapazono ribose, greičiausiai juodosios skylės susilieja tankesniame žvaigždžių spieke, o ne iš vienos žvaigždės.
„Jei mes ilgai lauksime, tada galiausiai LIGO pamatys tai, kas galėjo atsirasti tik iš šių žvaigždžių grupių, nes ji bus didesnė už viską, ką jūs galite gauti iš vienos žvaigždės“, - sako Rodriguezas. „Su bendraautoriais ir mano lažybomis prieš porą žmonių, studijuojančių dvejetainių žvaigždžių formavimąsi, yra tai, kad per pirmuosius 100 LIGO aptikimų LIGO aptiks ką nors per šį viršutinį masės tarpą. Aš gaunu gražų vyno butelį, jei tai atsitiks tiesa. “
Gravitacinių bangų aptikimas buvo istorinis laimėjimas ir tai leido astronomams atlikti naujus ir įdomius tyrimus. Jau dabar mokslininkai įgyja naujų žinių apie juodąsias skyles, tyrinėdami jų susijungimo šalutinį produktą. Ateinančiais metais galime tikėtis daug daugiau išmokti, nes patobulinti metodai ir sustiprintas observatorijų bendradarbiavimas.
