Toen de tweelingdetectoren van LIGO voor het eerst zwakke schommelingen in hun respectievelijke identieke spiegels, het signaal zorgde niet alleen voor de eerste directe detectie van zwaartekrachtsgolven, het bevestigde ook het bestaan ​​van stellaire binaire zwarte gaten, die in de eerste plaats aanleiding gaf tot het signaal.

Stellaire binaire zwarte gaten worden gevormd wanneer twee zwarte gaten, gemaakt uit de overblijfselen van massieve sterren, beginnen om elkaar heen te draaien. Eventueel, de zwarte gaten versmelten tot een spectaculaire botsing die, volgens de algemene relativiteitstheorie van Einstein, moet een enorme hoeveelheid energie vrijgeven in de vorm van zwaartekrachtsgolven.

Nutsvoorzieningen, een internationaal team onder leiding van MIT-astrofysicus Carl Rodriguez suggereert dat zwarte gaten meerdere keren kunnen samenwerken en samensmelten, die zwarte gaten produceren die massiever zijn dan die van enkele sterren. Deze "fusies van de tweede generatie" zouden moeten komen van bolvormige clusters - kleine gebieden in de ruimte, meestal aan de randen van een sterrenstelsel, die vol zitten met honderdduizenden tot miljoenen sterren.

"We denken dat deze clusters gevormd zijn met honderden tot duizenden zwarte gaten die snel in het centrum zonken, " zegt Carl Rodríguez, een Pappalardo-fellow in het MIT's Department of Physics en het Kavli Institute for Astrophysics and Space Research. "Dit soort clusters zijn in wezen fabrieken voor binaire zwarte gaten, waar je zoveel zwarte gaten in een klein gebied van de ruimte hebt hangen dat twee zwarte gaten kunnen samensmelten en een zwaarder zwart gat kunnen produceren. Dan kan dat nieuwe zwarte gat een andere metgezel vinden en weer samensmelten."

Als LIGO een dubbelster detecteert met een zwart-gatcomponent waarvan de massa groter is dan ongeveer 50 zonsmassa's, dan volgens de resultaten van de groep, er is een goede kans dat het object niet uit individuele sterren is voortgekomen, maar van een dichte sterrenhoop.

"Als we maar lang genoeg wachten, dan zal LIGO uiteindelijk iets zien dat alleen van deze sterrenhopen kan komen, omdat het groter zou zijn dan alles wat je zou kunnen krijgen van een enkele ster, ' zegt Rodríguez.

Hij en zijn collega's rapporteren hun resultaten in een paper dat verschijnt in Fysieke beoordelingsbrieven .

Lopende sterren

De afgelopen jaren, Rodriguez heeft het gedrag van zwarte gaten in bolvormige sterrenhopen onderzocht en of hun interacties verschillen van zwarte gaten in minder bevolkte gebieden in de ruimte.

Bolvormige sterrenhopen zijn te vinden in de meeste sterrenstelsels, en hun aantal schalen met de grootte van een melkwegstelsel. Enorm, elliptische sterrenstelsels, bijvoorbeeld, gastheer van tienduizenden van deze stellaire conglomeraties, terwijl onze eigen Melkweg er ongeveer 200 bevat, met de dichtstbijzijnde cluster ongeveer 7, 000 lichtjaar van de aarde.

In hun nieuwe krant Rodriguez en zijn collega's rapporteren met behulp van een supercomputer genaamd Quest, aan de Northwestern University, om het complex te simuleren, dynamische interacties binnen 24 stellaire clusters, variërend in grootte van 200, 000 tot 2 miljoen sterren, en met een reeks verschillende dichtheden en metaalsamenstellingen. De simulaties modelleren de evolutie van individuele sterren binnen deze clusters gedurende 12 miljard jaar, na hun interacties met andere sterren en, uiteindelijk, de vorming en evolutie van de zwarte gaten. De simulaties modelleren ook de banen van zwarte gaten zodra ze zich hebben gevormd.

"Het leuke is, omdat zwarte gaten de meest massieve objecten in deze clusters zijn, ze zinken naar het midden, waar je een voldoende hoge dichtheid van zwarte gaten krijgt om dubbelsterren te vormen, " zegt Rodriguez. "Binaire zwarte gaten zijn in feite als gigantische doelen die in de cluster hangen, en terwijl je andere zwarte gaten of sterren naar ze gooit, ze ondergaan deze gekke chaotische ontmoetingen."

Het is allemaal relatief

Bij het uitvoeren van hun simulaties, de onderzoekers voegden een belangrijk ingrediënt toe dat ontbrak bij eerdere pogingen om bolvormige clusters te simuleren.

"Wat mensen in het verleden hadden gedaan, was dit te behandelen als een puur Newtoniaans probleem, " zegt Rodriguez. "Newtons zwaartekrachttheorie werkt in 99,9 procent van alle gevallen. De weinige gevallen waarin het niet werkt, zijn wanneer je twee zwarte gaten heel dicht langs elkaar ziet suizen, wat normaal niet gebeurt in de meeste sterrenstelsels."

Newtons relativiteitstheorie gaat ervan uit dat, als de zwarte gaten om te beginnen ongebonden waren, geen van beide zou de ander beïnvloeden, en ze zouden elkaar gewoon passeren, onveranderd. Deze redenering komt voort uit het feit dat Newton het bestaan ​​van zwaartekrachtsgolven niet herkende - waarvan Einstein veel later voorspelde dat ze zouden ontstaan ​​​​uit massieve, in een baan om de aarde draaiende objecten, zoals twee zwarte gaten dicht bij elkaar.

"In Einsteins algemene relativiteitstheorie, waar ik zwaartekrachtgolven kan uitzenden, als het ene zwarte gat in de buurt van het andere komt, het kan zelfs een kleine puls van zwaartekrachtgolven uitzenden, Rodriguez legt uit. "Dit kan genoeg energie van het systeem aftrekken dat de twee zwarte gaten daadwerkelijk worden gebonden, en dan zullen ze snel fuseren."

Het team besloot de relativistische effecten van Einstein toe te voegen aan hun simulaties van bolvormige sterrenhopen. Na het uitvoeren van de simulaties, ze zagen zwarte gaten met elkaar versmelten om nieuwe zwarte gaten te creëren, binnen de stellaire clusters zelf. Zonder relativistische effecten, De zwaartekracht van Newton voorspelt dat de meeste binaire zwarte gaten door andere zwarte gaten uit de cluster zouden worden geschopt voordat ze konden samensmelten. Maar door rekening te houden met relativistische effecten, Rodriguez en zijn collega's ontdekten dat bijna de helft van de binaire zwarte gaten samensmolten in hun stellaire clusters, het creëren van een nieuwe generatie zwarte gaten die massiever is dan die gevormd door de sterren. Wat er met die nieuwe zwarte gaten in de cluster gebeurt, is een kwestie van spin.

"Als de twee zwarte gaten draaien wanneer ze samensmelten, het zwarte gat dat ze creëren, zendt zwaartekrachtsgolven uit in een enkele voorkeursrichting, als een raket, een nieuw zwart gat creëren dat zo snel als 5 kan schieten, 000 kilometer per seconde, dus waanzinnig snel, Rodriguez zegt. "Er is maar een schop van misschien enkele tientallen tot honderd kilometer per seconde nodig om aan een van deze clusters te ontsnappen."

Door dit effekt, wetenschappers hebben grotendeels aangenomen dat het product van een fusie van een zwart gat uit de cluster zou worden geschopt, omdat werd aangenomen dat de meeste zwarte gaten snel ronddraaien.

deze veronderstelling, echter, lijkt in tegenspraak met de metingen van LIGO, die tot nu toe alleen binaire zwarte gaten met lage spins heeft gedetecteerd. Om de implicaties hiervan te testen, Rodriguez draaide de spins van de zwarte gaten in zijn simulaties en ontdekte dat in dit scenario, bijna 20 procent van de binaire zwarte gaten uit clusters had ten minste één zwart gat dat bij een eerdere fusie was gevormd. Omdat ze zijn gevormd uit andere zwarte gaten, sommige van deze zwarte gaten van de tweede generatie kunnen in het bereik van 50 tot 130 zonsmassa's liggen. Wetenschappers geloven dat zwarte gaten van deze massa zich niet kunnen vormen uit een enkele ster.

Rodriguez zegt dat als zwaartekrachtsgolftelescopen zoals LIGO een object detecteren met een massa binnen dit bereik, er is een goede kans dat het niet van een enkele instortende ster kwam, maar van een dichte sterrenhoop.

"Mijn co-auteurs en ik hebben een weddenschap tegen een paar mensen die de vorming van dubbelsterren bestuderen en die binnen de eerste 100 LIGO-detecties, LIGO zal iets detecteren binnen deze bovenste massakloof, "zegt Rodriguez. "Ik krijg een lekkere fles wijn als dat waar is."