Een nieuw model brengt wetenschappers een stap dichter bij het begrijpen van de soorten lichtsignalen die worden geproduceerd wanneer twee superzware zwarte gaten, die miljoenen tot miljarden keren de massa van de zon zijn, spiraal in de richting van een botsing. Voor de eerste keer, een nieuwe computersimulatie die de fysieke effecten van Einsteins algemene relativiteitstheorie volledig omvat, laat zien dat gas in dergelijke systemen voornamelijk zal gloeien in ultraviolet en röntgenlicht.

Zowat elk sterrenstelsel ter grootte van onze eigen Melkweg of groter bevat een monsterlijk zwart gat in het centrum. Waarnemingen laten zien dat sterrenstelsels vaak samensmelten in het heelal, maar tot nu toe heeft niemand een samensmelting van deze gigantische zwarte gaten gezien.

"We weten dat sterrenstelsels met centrale superzware zwarte gaten de hele tijd in het universum combineren, toch zien we slechts een klein deel van de sterrenstelsels, waarvan er twee zich in de buurt van hun middelpunt bevinden, " zei Scott Noble, een astrofysicus bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland. "De paren die we wel zien, zenden geen sterke zwaartekrachtsgolfsignalen uit omdat ze te ver van elkaar verwijderd zijn. Ons doel is om - met alleen licht - nog nauwere paren te identificeren van waaruit zwaartekrachtsgolfsignalen kunnen worden gedetecteerd in de toekomst."

Dinsdag werd een paper gepubliceerd waarin de analyse van het team van de nieuwe simulatie wordt beschreven, 2 oktober in de Astrofysisch tijdschrift en staat nu online.

Wetenschappers hebben samensmeltende zwarte gaten met stellaire massa gedetecteerd - die variëren van ongeveer drie tot enkele tientallen zonnemassa's - met behulp van de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) van de National Science Foundation. Zwaartekrachtgolven zijn rimpelingen in de ruimtetijd die met de snelheid van het licht reizen. Ze worden gemaakt wanneer massieve objecten zoals zwarte gaten en neutronensterren samensmelten en samensmelten.

Superzware fusies zullen veel moeilijker te vinden zijn dan hun neven met stellaire massa. Een van de redenen waarom observatoria op de grond geen zwaartekrachtgolven van deze gebeurtenissen kunnen detecteren, is omdat de aarde zelf te veel lawaai maakt. schudden van seismische trillingen en zwaartekrachtsveranderingen van atmosferische storingen. De detectoren moeten zich in de ruimte bevinden, zoals de Laser Interferometer Space Antenna (LISA) geleid door ESA (de European Space Agency) en gepland voor lancering in de jaren 2030. Observatoria die sets van snel draaiende, superdichte sterren, pulsars genaamd, kunnen zwaartekrachtsgolven van monsterfusies detecteren. Zoals vuurtorens, pulsars zenden regelmatig getimede lichtstralen uit die in en uit het zicht flitsen terwijl ze draaien. Zwaartekrachtsgolven kunnen kleine veranderingen in de timing van die flitsen veroorzaken, maar tot nu toe hebben studies geen detecties opgeleverd.

Maar superzware dubbelsterren die bijna botsen, hebben misschien één ding dat sterrenmassa's missen:een gasrijke omgeving. Wetenschappers vermoeden dat de supernova-explosie die een stellair zwart gat creëert, ook het grootste deel van het omringende gas wegblaast. Het zwarte gat verbruikt het weinige dat overblijft zo snel dat er niet veel meer over is om te gloeien als de fusie plaatsvindt.

Superzware binaire bestanden, anderzijds, resultaat van fusies van sterrenstelsels. Elk supergroot zwart gat brengt een entourage van gas- en stofwolken met zich mee, sterren en planeten. Wetenschappers denken dat een botsing van sterrenstelsels veel van dit materiaal naar de centrale zwarte gaten stuwt. die het verbruiken op een tijdschaal die vergelijkbaar is met die welke nodig is om het binaire bestand samen te voegen. Terwijl de zwarte gaten naderen, magnetische en zwaartekrachten verwarmen het resterende gas, producerende lichtastronomen zouden moeten kunnen zien.

"Het is heel belangrijk om op twee sporen te werk te gaan, " zei co-auteur Manuela Campanelli, directeur van het Center for Computational Relativity and Gravitation aan het Rochester Institute of Technology in New York, die dit project negen jaar geleden startte. "Het modelleren van deze gebeurtenissen vereist geavanceerde computerhulpmiddelen die alle fysieke effecten omvatten die worden geproduceerd door twee superzware zwarte gaten die om elkaar heen draaien met een fractie van de snelheid van het licht. Weten welke lichtsignalen van deze gebeurtenissen kunnen worden verwacht, zal moderne waarnemingen helpen ze te identificeren. waarnemingen vloeien dan in elkaar over, helpt ons beter te begrijpen wat er in de harten van de meeste sterrenstelsels gebeurt."

De nieuwe simulatie toont drie banen van een paar superzware zwarte gaten op slechts 40 banen van samensmelting. De modellen laten zien dat het licht dat in dit stadium van het proces wordt uitgestraald, mogelijk wordt gedomineerd door UV-licht met enkele hoogenergetische röntgenstralen, vergelijkbaar met wat wordt gezien in elk sterrenstelsel met een goed gevoed superzwaar zwart gat.

Drie gebieden van lichtgevend gas gloeien terwijl de zwarte gaten samensmelten, allemaal verbonden door stromen heet gas:een grote ring die het hele systeem omringt, de circulaire schijf genoemd, en twee kleinere rond elk zwart gat, minischijven genoemd. Al deze objecten zenden overwegend UV-licht uit. Wanneer gas met hoge snelheid in een minischijf stroomt, het UV-licht van de schijf interageert met de corona van elk zwart gat, een gebied van hoogenergetische subatomaire deeltjes boven en onder de schijf. Deze interactie produceert röntgenstralen. Wanneer de aangroeisnelheid lager is, UV-licht dimt ten opzichte van de röntgenstralen.

Op basis van de simulatie, de onderzoekers verwachten dat röntgenstralen die worden uitgezonden door een bijna-fusie helderder en variabeler zullen zijn dan röntgenstralen die worden gezien door enkele superzware zwarte gaten. Het tempo van de veranderingen houdt verband met zowel de baansnelheid van gas aan de binnenrand van de cirkelvormige schijf als die van de samensmeltende zwarte gaten.

"De manier waarop beide zwarte gaten licht afbuigen, leidt tot complexe lenseffecten, zoals te zien in de film wanneer het ene zwarte gat voor het andere langs gaat, " zei Stéphane d'Ascoli, een doctoraalstudent aan de École Normale Supérieure in Parijs en hoofdauteur van het artikel. "Sommige exotische kenmerken kwamen als een verrassing, zoals de wenkbrauwvormige schaduwen die het ene zwarte gat af en toe aan de horizon van het andere creëert."

De simulatie werd uitgevoerd op de Blue Waters-supercomputer van het National Center for Supercomputing Applications aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign. Het modelleren van drie banen van het systeem duurde 46 dagen op 9, 600 rekenkernen. Campanelli zei dat de samenwerking onlangs extra tijd kreeg op Blue Waters om hun modellen verder te ontwikkelen.

De originele simulatie schatte de gastemperaturen. Het team is van plan om hun code te verfijnen om te modelleren hoe veranderende parameters van het systeem, zoals temperatuur, afstand, totale massa en accretiesnelheid, zal het uitgestraalde licht beïnvloeden. Ze zijn geïnteresseerd in wat er gebeurt met gas dat tussen de twee zwarte gaten reist en in het modelleren van langere tijdspannes.

"We moeten signalen vinden in het licht van superzware dubbelsterren van zwarte gaten die onderscheidend genoeg zijn zodat astronomen deze zeldzame systemen kunnen vinden tussen de menigte heldere enkelvoudige superzware zwarte gaten, " zei co-auteur Julian Krolik, een astrofysicus aan de Johns Hopkins University in Baltimore. ‘Als we dat kunnen, we zouden in staat zijn om samensmeltende superzware zwarte gaten te ontdekken voordat ze worden gezien door een ruimtegebaseerd zwaartekrachtsgolfobservatorium."