Odkrywanie początków łączenia się czarnych dziur w galaktykach takich jak nasza
Międzynarodowy zespół naukowców rzuca światło na enigmatyczną naturę masywnych czarnych dziur.
Czarna dziura o masie 31,5 mas Słońca z towarzyszem czarnej dziury o masie 8,38 mas Słońca widziana przed jej gwiezdnym żłobkiem przed połączeniem. Odległe pasmo Drogi Mlecznej widać w lewym dolnym rogu pary czarnych dziur. Światło jest zakrzywione w pobliżu czarnych dziur z powodu ich silnej grawitacji. Źródło: Aaron M. Geller, Northwestern CIERA & NUIT-RCS; ESO / S. Brunier
Wykorzystując zaawansowane narzędzia symulacyjne, międzynarodowy zespół naukowców przewidział istnienie łączących się układów podwójnych masywnych czarnych dziur o masie 30 mas Słońca, które łączą się w galaktykach podobnych do Drogi Mlecznej, podważając wcześniejsze teorie.
Zespół wykorzystał najnowsze istotne postępy w kodzie POSYDON do symulacji populacji gwiazd podwójnych. To pozwoliło im uzyskać nowe spojrzenie na mechanizmy tworzenia się łączących się czarnych dziur w galaktykach takich jak nasza.
Wyniki zostały opublikowane 29 czerwca 2023 roku w czasopiśmie Nature Astronomy. Jest to pierwsze badanie, w którym wykorzystano nowo wydane oprogramowanie open-source o nazwie POSYDON do analizy łączących się podwójnych czarnych dziur.
Modele poprzedzające POSYDON przewidywały bardzo niską częstotliwość powstawania łączących się podwójnych czarnych dziur w galaktykach podobnych do Drogi Mlecznej. Co więcej, nie przewidywały one istnienia czarnych dziur o tak ogromnej masie jak 30 mas Słońca – powiedziała Vicky Kalogera, współautorka badania. POSYDON natomiast wykazał, że tak potężne czarne dziury mogą rzeczywiście istnieć w galaktykach podobnych do Drogi Mlecznej, a my przedstawiliśmy naukowe wyjaśnienie, które tłumaczy, dlaczego to jest możliwe.
Czarne dziury posiadają ogromne przyciąganie grawitacyjne tak silne, że nawet światło nie jest w stanie mu uciec. Odkrycie fal grawitacyjnych w 2015 roku, będących wynikiem połączenia dwóch czarnych dziur, stanowiło przełomowe wydarzenie, otwierając nowe możliwości obserwacji Wszechświata. Od tamtej pory dziesiątki takich obserwacji prowadziły astrofizyków do poszukiwań zrozumienia astrofizycznego źródła tych fal grawitacyjnych.
Czarne dziury o masie gwiazdowej to obiekty niebieskie powstałe w wyniku rozpadu gwiazd o masie od kilku do kilkuset razy większej niż masa naszego Słońca. Ich pole grawitacyjne jest tak silne, że ani materia, ani promieniowanie nie jest w stanie ich ominąć, co sprawia, że wykrycie ich jest niezwykle trudne. Dlatego też, gdy w 2015 roku Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) wykryło zmarszczki w czasoprzestrzeni powstałe w wyniku połączenia się dwóch czarnych dziur, zostało to okrzyknięte przełomowym momentem. Według astrofizyków, dwie łączące się czarne dziury będące źródłem sygnału miały masę około 30 razy większą od Słońca i znajdowały się w odległości 1,5 miliarda lat świetlnych.
Teoria pomostowa i obserwacje
Jakie mechanizmy wytwarzają te czarne dziury? Czy są one produktem ewolucji dwóch gwiazd, podobnych do Słońca, ale znacznie masywniejszych, ewoluujących w układzie podwójnym? A może powstają one w wyniku przypadkowego zderzenia się czarnych dziur w gęsto zaludnionych gromadach gwiazd? A może w grę wchodzi bardziej egzotyczny mechanizm? Wszystkie te pytania są do dziś przedmiotem gorących dyskusji.
Współpraca zespołu naukowców z instytucji takich jak Northwestern, University of Geneva (UNIGE) i University of Florida (UF), przy wsparciu projektu POSYDON, zaowocowała znaczącymi postępami w symulacji populacji gwiazd podwójnych. Praca ta ma na celu dostarczenie bardziej precyzyjnych odpowiedzi oraz harmonizację przewidywań teoretycznych z danymi obserwacyjnymi.
Ponieważ niemożliwe jest bezpośrednie obserwowanie formowania się łączących się podwójnych czarnych dziur, konieczne jest poleganie na symulacjach, które odtwarzają ich właściwości obserwacyjne – powiedziała Simone Bavera, dr hab. na katedrze astronomii Wydziału Nauki UNIGE i główna autorka badania. Robimy to poprzez symulację układów podwójnych gwiazd od ich narodzin do powstania układów podwójnych czarnych dziur.
Przesuwanie granic symulacji
Interpretacja pochodzenia łączących się podwójnych czarnych dziur, takich jak te zaobserwowane w 2015 roku, wymaga porównania przewidywań modeli teoretycznych z rzeczywistymi obserwacjami. Technika używana do modelowania tych układów znana jest jako „synteza populacji układów podwójnych.”
Technika ta symuluje ewolucję dziesiątek milionów układów podwójnych gwiazd w celu oszacowania statystycznych właściwości powstałej populacji źródeł fal grawitacyjnych – powiedział Anastasios Fragkos, adiunkt w katedrze astronomii na Wydziale Nauki UNIGE.
Jednak, aby osiągnąć to w rozsądnych ramach czasowych, naukowcy do tej pory polegali na modelach wykorzystujących przybliżone metody do symulacji ewolucji gwiazd i ich interakcji w układach podwójnych – dodał. W związku z tym nadmierne uproszczenie fizyki pojedynczych i podwójnych gwiazd prowadzi do mniej dokładnych prognoz.
POSYDON przełamuje te ograniczenia. Jako oprogramowanie typu open-source, został zaprojektowany do wykorzystania ogromnej biblioteki szczegółowych symulacji pojedynczych i podwójnych gwiazd, co pozwala na przewidywanie ewolucji izolowanych układów podwójnych. Każda z tych rozbudowanych symulacji może zająć nawet 100 godzin pracy procesora centralnego (CPU) na superkomputerze, co dotychczas uniemożliwiało bezpośrednie zastosowanie tej techniki symulacyjnej do syntezowania populacji układów podwójnych.
Jednak dzięki uprzedniemu obliczeniu biblioteki symulacji obejmującej cały zakres parametrów warunków początkowych, POSYDON jest w stanie wykorzystać ten obszerny zestaw danych we współpracy z metodami uczenia maszynowego do przewidywania pełnej ewolucji układów podwójnych w mniej niż sekundę – powiedział Jeffrey Andrews, asystent profesora na wydziale fizyki UF. Ta prędkość jest porównywalna z szybkimi kodami syntezy populacji z poprzednich generacji, ale charakteryzuje się większą dokładnością.
Wprowadzenie nowego modelu
Poprzednie modele przeceniały niektóre aspekty, takie jak ekspansja masywnych gwiazd, która wpływa na utratę ich masy i interakcje układów podwójnych. Elementy te są kluczowymi składnikami określającymi właściwości łączących się czarnych dziur. Dzięki tym w pełni spójnym, szczegółowym symulacjom struktur gwiazd i interakcji układów podwójnych, POSYDON osiąga dokładniejsze przewidywania właściwości łączących się czarnych dziur, takich jak ich masy i spiny.
Zespół naukowców opracowuje obecnie nową wersję POSYDON, która będzie zawierać większą bibliotekę szczegółowych symulacji gwiazd i układów podwójnych w szerszym zakresie typów galaktyk.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
