Przejdź do głównej zawartości

Gęste gromady gwiazd mogą sprzyjać powstawaniu czarnych dziur z wielu połączeń

Gdy bliźniacze detektory LIGO najpierw odebrały słabe drgania w swoich lustrach, sygnał nie tylko zapewnił pierwszą bezpośrednią detekcję fal grawitacyjnych, ale potwierdził także istnienie układów podwójnych gwiazdowych czarnych dziur, z których ów sygnał dociera.


Gwiezdne układy podwójne czarnych dziur powstają, gdy dwie czarne dziury, utworzone z resztek masywnych gwiazd, zaczynają krążyć wokół siebie. W końcu czarne dziury łączą się ze sobą, zderzając, w wyniku czego zgodnie z teorią względności Einsteina powinny zostać uwolnione ogromne ilości energii w postaci fal grawitacyjnych.

Obecnie, międzynarodowy zespół, kierowany przez astrofizyka z MIT, Carla Rodrigueza, sugeruje, że czarne dziury mogą się łączyć i scalać wielokrotnie, tworząc czarne dziury masywniejsze niż te, jakie tworzą pojedyncze gwiazdy. Takie „połączenia drugiej generacji” powinny pochodzić z gromad kulistych – małych obszarów przestrzeni, zwykle na obrzeżach galaktyk, które są wypełnione setkami tysięcy czy nawet milionami gwiazd.

Zespół uważa, że gromady kuliste powstały z setek do tysięcy czarnych dziur, które gwałtownie opadały do centrum. Tego rodzaju gromady są fabrykami podwójnych czarnych dziur, gdzie wiele z nich znajduje się w małych regionach przestrzeni, w których dwie czarne dziury mogą połączyć się tworząc masywniejszą czarną dziurę. Wtedy ta nowa czarna dziura może znaleźć towarzysza i ponownie się połączyć.

Jeżeli LIGO wykryje układ podwójny, w którym jednym składnikiem jest czarna dziura o masie większej, niż ok. 50 mas Słońca, to zgodnie z wynikami grupy badaczy istnieje duża szansa, że obiekt nie powstał z pojedynczych gwiazd, ale z gęstej gromady gwiazd.

W ciągu ostatnich kilku lat Rodriguez badał zachowanie czarnych dziur w gromadach kulistych oraz to, czy ich interakcje różnią się od czarnych dziur zajmujących mniej zaludnione regiony w kosmosie.

Gromady kuliste można znaleźć w większości galaktyk, a ich liczba zależna jest od rozmiaru galaktyki. Na przykład ogromne, eliptyczne galaktyki posiadają dziesiątki tysięcy tych gwiezdnych skupisk, podczas gdy Droga Mleczna ma około 200, a najbliższa gromada znajduje się w odległości około 7 000 lat świetlnych od Ziemi.

W swoim nowym artykule Rodriguez i jego współpracownicy donoszą o użyciu superkomputera o nazwie Quest, w Northwestern University aby zasymulować złożone, dynamiczne interakcje w 24 gromadach gwiazd o rozmiarach od 200 000 do 2 milionów gwiazd i pokrywających wiele różnych gęstości oraz składów metalicznych. Symulacje modelują ewolucje pojedynczych gwiazd w obrębie tych gromad na przestrzeni ponad 12 miliardów lat, podążając za ich interakcjami z innymi gwiazdami i, ostatecznie, za formowaniem się i ewolucją czarnych dziur. Symulacje modelują również trajektorie czarnych dziur kiedy te się uformowały.

Podczas prowadzenia symulacji naukowcy dodali kluczowy składnik, którego brakowało we wcześniejszych próbach symulujących gromady kuliste. 

Teoria względności Newtona zakłada, że gdyby czarne dziury były początkowo niezwiązane, żadna z nich nie wpłynęłaby na inną, zwyczajnie przechodziły by obok siebie, bez żadnych zmian. Rozumowanie to wynika z faktu, że Newton nie zakładał istnienia fal grawitacyjnych, które potem Einstein przewidział jako pochodzące od masywnych orbitujących obiektów, takich jak np. czarne dziury w bliskim sąsiedztwie.

Zespół postanowił dodać efekty relatywistyczne Einsteina do symulacji gromad galaktyk. Po ich przeprowadzeniu zaobserwowali, że czarne dziury łączą się ze sobą, tworząc nowe wewnątrz samych gromad gwiazd. Bez efektów relatywistycznych, grawitacja Newtona przewiduje, że większość podwójnych czarnych dziur zostanie wyrzucona z gromady przez inne czarne dziury, zanim te się połączą. Jednak biorąc pod uwagę efekty relatywistyczne, Rodriguez i jego koledzy odkryli, że prawie połowa podwójnych czarnych dziur łączy się wewnątrz swoich gromad gwiazd, tworząc nową generację czarnych dziur, bardziej masywnych niż te powstałe z gwiazd. To, co dzieje się z nowymi czarnymi dziurami wewnątrz gromady jest uzależnione od ich spinu.

Wydaje się jednak, że założenie to jest sprzeczne z pomiarami LIGO, który do tej pory wykrywał tylko podwójne czarne dziury ze słabymi spinami. Aby zbadać implikację tego, Rodriguez dobrał spiny czarnych dziur w swoich symulacjach i odkrył, że w tym scenariuszu prawie 20% podwójnych czarnych dziur w gromadach miało co najmniej jedną czarną dziurę, która powstała z poprzedniego połączenia. Ponieważ powstały one z innych czarnych dziur, niektóre z nowo powstałych mogą mieć od 50 do 130 mas Słońca. 

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źrodło:

Popularne posty z tego bloga

Wykryto największą eksplozję w historii Wszechświata

Naukowcy badający odległą gromadę galaktyk odkryli największą eksplozję obserwowaną we Wszechświecie od czasów Wielkiego Wybuchu. Wybuch pochodził z supermasywnej czarnej dziury w centrum odległej o setki milionów lat świetlnych stąd galaktyki. W trakcie eksplozji zostało uwolnione pięć razy więcej energii, niż przy poprzednim ówczesnym najpotężniejszym wybuchu. Astronomowie dokonali tego odkrycia przy użyciu danych z obserwatorium rentgenowskiego Chandra i XMM-Newton, a także danych radiowych z Murchison Widefield Array (MWA) w Australii i Giant Metrewave Radio Telescope (GMRT) w Indiach. Ten potężny wybuch został wykryty w gromadzie galaktyk Ophiuchus, która znajduje się około 390 mln lat świetlnych stąd. Gromady galaktyk to największe struktury we Wszechświecie utrzymywane razem przez grawitację, zawierające tysiące pojedynczych galaktyk, ciemną materię i gorący gaz. W centrum gromady Ophiuchus znajduje się duża galaktyka zawierająca supermasywną czarną dziurę.

Odkryto najbliższą znaną „olbrzymią planetę niemowlęcą”

Nowonarodzona masywna planeta znajduje się zaledwie 100 parseków od Ziemi. Naukowcy odkryli nowonarodzoną masywną planetę bliższą Ziemi niż jakikolwiek tego typu obiekt w podobnym wieku. Olbrzymia niemowlęca planeta, nazwana 2MASS 1155-7919 b, znajduje się w asocjacji Epsilon Chamaeleontis i leży tylko około 330 lat świetlnych od naszego Układu Słonecznego. „Ciemny, chłodny obiekt, który znaleźliśmy, jest bardzo młody i ma zaledwie 10 mas Jowisza, co oznacza, że prawdopodobnie patrzymy na planetę niemowlęcą, być może wciąż w fazie formowania się. Chociaż zostało odkrytych wiele innych planet podczas misji Kepler i innych podobnych, prawie wszystkie z nich są planetami ‘starymi’. Obiekt ten jest jednocześnie czwartym lub piątym przykładem planety olbrzymiej krążącej tak daleko od swojej gwiazdy macierzystej. Teoretycy usiłują wyjaśnić, w jaki sposób się tam uformowały lub jak tam dotarły” – powiedziała Annie Dickson-Vandervelde, główna autorka pracy. Do odkrycia naukowc

Czy rozwiązano tajemnicę ekspansji Wszechświata?

Badacz z Uniwersytetu Genewskiego rozwiązał naukową kontrowersję dotyczącą tempa ekspansji Wszechświata, sugerując, że na dużą skalę nie jest ono całkowicie jednorodne. Ziemia, Układ Słoneczny, cała Droga Mleczna i kilka tysięcy najbliższych nam galaktyk porusza się w ogromnym „bąblu” o średnicy 250 mln lat świetlnych, gdzie średnia gęstość materii jest o połowę mniejsza niż w pozostałej części Wszechświata. Taka jest hipoteza wysunięta przez fizyka teoretyka z Uniwersytetu Genewskiego (UNIGE) jako rozwiązanie zagadki, która od dziesięcioleci dzieli społeczność naukową: z jaką prędkością rozszerza się Wszechświat? Do tej pory co najmniej dwie niezależne metody obliczeniowe osiągnęły dwie wartości różniące się o około 10% z odchyleniem, które jest statystycznie nie do pogodzenia. Nowe podejście usuwa tę rozbieżność bez korzystania z „nowej fizyki”. Wszechświat rozszerza się od czasu Wielkiego Wybuchu, który miał miejsce 13,8 mld lat temu – propozycja po raz pierwszy przeds