Een nieuwe simulatie van superzware zwarte gaten - de kolossen in de centra van sterrenstelsels - gebruikt een realistisch scenario om de lichtsignalen te voorspellen die in het omringende gas worden uitgezonden voordat de massa's botsen, zeiden onderzoekers van het Rochester Institute of Technology.

Het door het RIT geleide onderzoek vertegenwoordigt de eerste stap in de richting van het voorspellen van de naderende fusie van superzware zwarte gaten met behulp van de twee informatiekanalen die nu beschikbaar zijn voor wetenschappers - de elektromagnetische en de zwaartekrachtgolfspectra - bekend als multimessenger-astrofysica. De bevindingen verschijnen in het artikel "Quasi-periodic Behavior of Mini-disks in Binary Black Holes Approaching Merger, " gepubliceerd in de Astrofysische journaalbrieven .

"We hebben de eerste simulatie uitgevoerd waarin een accretieschijf rond een binair zwart gat individuele accretieschijven voedt, of minischijven, rond elk zwart gat in de algemene relativiteitstheorie en magnetohydrodynamica, " zei Dennis Bowen, hoofdauteur en postdoctoraal onderzoeker bij RIT's Center for Computational Relativity and Gravitation.

In tegenstelling tot hun minder massieve neven, voor het eerst ontdekt in 2016, Superzware zwarte gaten worden gevoed door gasschijven die hen als donuts omringen. De sterke aantrekkingskracht van de zwarte gaten die elkaar inspireren verwarmt en verstoort de gasstroom van schijf naar zwart gat en zendt periodieke signalen uit in de zichtbare voor röntgenstraling van het elektromagnetische spectrum.

"We hebben nog niet twee superzware zwarte gaten zo dichtbij zien komen, Bowen zei. "Het geeft de eerste hints van hoe deze fusies eruit zullen zien in een telescoop. Het vullen en bijvullen van minidisks heeft invloed op de lichtsignaturen."

De simulatie modelleert superzware zwarte gaten in een binair paar, elk omgeven door zijn eigen gasschijven. Een veel grotere gasschijf omringt de zwarte gaten en voedt onevenredig de ene minischijf boven de andere, wat leidt tot de cyclus van vullen en opnieuw vullen die in het document wordt beschreven.

"De evolutie is lang genoeg om te bestuderen hoe het echte wetenschappelijke resultaat eruit zou zien, " zei Manuela Campanelli, directeur van het Center for Computational Relativity and Gravitation en een co-auteur van het papier.

Binaire superzware zwarte gaten zenden zwaartekrachtsgolven uit bij lagere frequenties dan zwarte gaten met stellaire massa. De op de grond gebaseerde Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory, in 2016, ontdekte de eerste zwaartekrachtsgolven van botsingen van stellaire zwarte gaten met een instrument dat was afgestemd op hogere frequenties. De gevoeligheid van LIGO is niet in staat om de zwaartekrachtsgolfsignalen waar te nemen die worden geproduceerd door superzware samensmelting van zwarte gaten.

De lancering van de op de ruimte gebaseerde Laser Interferometer Space Antenna, of LISA, gepland voor de jaren 2030, zal zwaartekrachtsgolven detecteren van botsende superzware zwarte gaten in de kosmos. Wanneer operationeel in de jaren 2020, de op de grond gebaseerde Large Synoptic Survey Telescope, of LSST, in aanbouw in Cerro Pachón, Chili, zal de breedste, diepste onderzoek naar lichtemissies in het heelal. Het patroon van signalen voorspeld in de RIT-studie zou wetenschappers kunnen leiden naar paren superzware zwarte gaten in een baan om de aarde.

"In het tijdperk van multimessenger-astrofysica, simulaties zoals deze zijn nodig om directe voorspellingen te doen van elektromagnetische signalen die gravitatiegolven vergezellen, " zei Bowen. "Dit is de eerste stap naar het uiteindelijke doel van simulaties die in staat zijn om directe voorspellingen te doen van het elektromagnetische signaal van binaire zwarte gaten die een fusie naderen."

Bowen en zijn medewerkers combineerden simulaties van RIT's Black Hole Lab-computerclusters en de Blue Waters-supercomputer in het National Center for Supercomputing Applications aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign, een van de grootste supercomputers in de Verenigde Staten.

Astrofysici van RIT, Johns Hopkins University en NASA Goddard Space Flight Center werkten samen aan het project. De publicatie is gebaseerd op Bowen's Ph.D. proefschrift bij RIT en voltooit onderzoek begonnen door een co-auteur, Scott Nobel, een voormalig RIT postdoctoraal onderzoeker, nu bij NASA Goddard. Hun onderzoek maakt deel uit van een gezamenlijk door de National Science Foundation gefinancierd project onder leiding van Campanelli. Co-auteurs zijn onder meer Vassilios Mewes, RIT postdoctoraal onderzoeker; Miguel Zilhao, voormalig RIT postdoctoraal onderzoeker, nu aan de Universidade de Lisboa, in Portugal; en Julian Krolik, hoogleraar natuurkunde en sterrenkunde aan de Johns Hopkins University.

In een komende krant, de auteurs zullen de correlatie tussen gas dat in en uit de accretieschijven stroomt en fluctuerende lichtemissies verder onderzoeken. Ze zullen voorspellingen doen van lichtsignaturen die wetenschappers kunnen verwachten te zien met geavanceerde telescopen wanneer ze op zoek zijn naar superzware zwarte gaten die op het punt staan ​​te fuseren.