Februarja 2016 so znanstveniki, ki delajo v laserskem interferometru Gravitacijsko-valovni observatorij (LIGO), postali zgodovina, ko so napovedali prvo odkrivanje gravitacijskih valov. Ne samo, da je to odkritje potrdilo stoletno napoved, ki jo je izdelala Einsteinova Teorija splošne relativnosti, temveč je tudi potrdilo obstoj zvezdnih binarnih črnih lukenj - ki so se združile, da bi ustvarile signal.
In zdaj je mednarodna ekipa, ki jo vodi astrofizik MIT Carl Rodriguez, pripravila študijo, ki nakazuje, da se lahko črne luknje večkrat združijo. Po njihovi študiji se te združitve druge generacije verjetno pojavljajo znotraj krogelnih grozdov, velikih in kompaktnih zvezdnih grozdov, ki običajno krožijo na robovih galaksij - in ki so gosto natrpane z več sto tisoč do milijoni zvezd.
Študija z naslovom "Post-newtonska dinamika v grozdnih grozdih zvezd: visoko ekscentrične, visoko vrteče se in ponavljajoče se združitve binarnih črnih lukenj" se je nedavno pojavila v Pisma o fizičnem pregledu. Študijo je vodil Carl Rodriguez, sodelavec Pappalardo iz MIT-ovega oddelka za fiziko in Kavli inštituta za astrofizike in vesoljske raziskave, vključevali pa so člane Inštituta za vesoljske znanosti in Centra za interdisciplinarno raziskovanje in raziskave astrofizike (CIERA).
Kot je Carl Rodriguez pojasnil v nedavnem sporočilu za javnost MIT:
„Mislimo, da so se ti grozdi oblikovali s stotimi do tisočimi črnimi luknjami, ki so se hitro potonile v sredino. Te vrste grozdov so v bistvu tovarne za binarne datoteke s črnimi luknjami, kjer imate toliko majhnih črnih lukenj na majhnem območju prostora, da bi se dve črni luknji lahko združili in ustvarili bolj masivno črno luknjo. Potem lahko ta nova črna luknja najde drugega spremljevalca in se spet združi. "
Kroglasti grozdi so bili navdušeni že odkar so jih astronomi prvič opazili v 17. stoletju. Te sferične zbirke zvezd spadajo med najstarejše znane zvezde v vesolju in jih lahko najdemo v večini galaksij. Glede na velikost in vrsto galaksije, ki krožijo, se število skupin spreminja, pri čemer eliptične galaksije gostijo več deset tisoč, galaksije, kot je Mlečna pot, pa več kot 150.
Rodriguez že leta preiskuje vedenje črnih lukenj znotraj krogličnih grozdov, da bi videl, ali se s svojimi zvezdami medsebojno razlikujejo od črnih lukenj, ki zasedajo manj gosto poseljena območja v vesolju. Rodriguez in njegovi sodelavci so za preizkus te hipoteze uporabili superračunalnik Quest na univerzi Northwestern, da so izvedli simulacije na 24 zvezdnih grozdih.
Ti grozdi so segali v velikosti od 200.000 do 2 milijona zvezd in so zajemali vrsto različnih gostot in kovinskih sestavkov. Simulacije so modelirale razvoj posameznih zvezd znotraj teh grozdov v 12 milijard letih. Ta čas je bil dovolj za sledenje tem zvezdam med seboj in medsebojno oblikovanjem črnih lukenj.
Simulacije so tudi modelirale evolucijo in usmeritve črnih lukenj, ko so nastale. Kot je pojasnil Rodriguez:
»Čisto lepo je, ker so črne luknje najbolj množični predmeti v teh grozdih, se potopijo do središča, kjer dobite dovolj visoko gostoto črnih lukenj, da tvorijo dvojišč. Binarne črne luknje so v bistvu kot orjaške tarče, ki visijo v gruči, in ko nanje vržete druge črne luknje ali zvezde, so podvrženi tem noro kaotičnim srečanjem. "
Medtem ko so prejšnje simulacije temeljile na Newtonovi fiziki, se je ekipa odločila, da bo v svoje simulacije krogličnih grozdov dodala Einsteinove relativistične učinke. To je bilo posledica dejstva, da gravitacijskih valov niso predvidevali Newtonove teorije, temveč Einsteinova teorija splošne relativnosti. Kot je Rodriguez nakazal, jim je to omogočilo, da so videli, kako igrajo gravitacijski valovi:
"To, kar so ljudje počeli v preteklosti, je bilo to obravnavati kot čisto newtonski problem. Newtonova teorija gravitacije deluje v 99,9 odstotka vseh primerov. Nekaj primerov, v katerih to ne deluje, je lahko, če dve črni luknji zelo tesno brenčita, kar se običajno ne zgodi v večini galaksij ... V Einsteinovi teoriji splošne relativnosti, kjer lahko oddajam gravitacijske valove, potem ko ena črna luknja preide blizu druge, lahko dejansko odda majhen impulz gravitacijskih valov. To lahko odvzame dovolj energije iz sistema, da se dve črni luknji dejansko zavežeta, nato pa se bosta hitro spojili. "
Opazili so, da se znotraj zvezdnih grozdov črne luknje združijo med seboj, da ustvarijo nove črne luknje. V prejšnjih simulacijah je newtonska gravitacija napovedovala, da bodo večino binarnih črnih lukenj vrgli iz grozda, preden se bodo lahko združili. Toda z upoštevanjem relativističnih učinkov je Rodriguez in njegova ekipa ugotovila, da se je skoraj polovica binarnih črnih lukenj združila v bolj množične.
Kot je pojasnil Rodriguez, se je razlika med tistimi, ki so se združili, in tistimi, ki so jih vrgli ven, zmanjšala:
"Če se dve črni luknji, ko se združita, vrtijo, bo črna luknja, ki jo ustvarita, oddajala gravitacijske valove v eni sami želeni smeri, kot raketa, kar bo ustvarilo novo črno luknjo, ki lahko izstreli tako hitro kot 5000 kilometrov na sekundo - torej noro hitro. Za pobeg iz enega od teh skupin je potrebnih le nekaj deset do sto kilometrov na sekundo. "
To je sprožilo še eno zanimivo dejstvo o prejšnjih simulacijah, kjer so astronomi verjeli, da bo izdelek vsake združitve črne luknje izstrel iz grozda, saj se domneva, da se večina črnih lukenj hitro vrti. Vendar se zdi, da so meritve gravitacijskega vala, nedavno pridobljene pri LIGO, v nasprotju s tem, kar je zaznalo le združitev binarnih črnih lukenj z nizkimi vrtljaji.
Zdi se, da je ta domneva v nasprotju z meritvami iz podjetja LIGO, ki je doslej zaznaval le binarne črne luknje z nizkimi vrtljaji. Da bi preizkusil posledice tega, sta Rodriguez in njegovi sodelavci v svojih simulacijah zmanjšala hitrost vrtenja črnih lukenj. Ugotovili so, da ima skoraj 20% binarnih črnih lukenj grozdov vsaj eno črno luknjo, ki sega od 50 do 130 sončnih mas.
V bistvu je to kazalo, da gre za črne luknje druge generacije, saj znanstveniki verjamejo, da te mase ne more doseči črna luknja, ki je nastala iz ene same zvezde. Rodriguez in njegova ekipa v prihodnosti predvidevajo, da če LIGO zazna objekt z maso v tem območju, bo to verjetno posledica črnih lukenj, ki se združijo znotraj gostega zvezdnega gruča, ne pa iz ene same zvezde.
"Če čakamo dovolj dolgo, bo sčasoma LIGO videl nekaj, kar bi lahko prišlo le iz teh zvezdnih skupin, saj bi bilo večje od vsega, kar bi lahko dobili od ene same zvezde," pravi Rodriguez. "Moji soavtorji in jaz se strinjam s pari ljudi, ki preučujejo nastajanje binarnih zvezd, da bo LIGO v prvih 100 LIGO detekcijah zaznal nekaj znotraj zgornje vrzeli mase. Dobim steklenico vina, če se to zgodi. "
Zaznavanje gravitacijskih valov je bilo zgodovinski dosežek in astronomom je omogočilo nove in vznemirljive raziskave. Znanstveniki že pridobivajo nov vpogled v črne luknje s preučevanjem stranskih produktov njihovih združitev. V prihodnjih letih lahko pričakujemo, da se bomo zaradi izboljšanih metod in večjega sodelovanja med opazovalnicami še veliko naučili.
