Een scheve samensmelting van twee zwarte gaten kan een vreemd oorsprongsverhaal hebben, volgens een nieuwe studie door onderzoekers van MIT en elders.

De fusie werd voor het eerst ontdekt op 12 april, 2019 als een zwaartekrachtgolf die bij de detectoren van zowel LIGO (de Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory), en zijn Italiaanse tegenhanger, Maagd. Wetenschappers bestempelden het signaal als GW190412 en stelden vast dat het afkomstig was van een botsing tussen twee David-en-Goliath zwarte gaten, de ene drie keer massiever dan de andere. Het signaal markeerde de eerste detectie van een samensmelting tussen twee zwarte gaten van zeer verschillende groottes.

Nu de nieuwe studie, vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven, laat zien dat deze eenzijdige fusie mogelijk via een heel ander proces tot stand is gekomen dan hoe de meeste fusies, of binaire bestanden, worden gedacht te vormen.

Het is waarschijnlijk dat het meer massieve van de twee zwarte gaten zelf een product was van een eerdere fusie tussen twee moederzwarte gaten. De Goliath die uit die eerste botsing spinde, is mogelijk rond een dicht opeengepakte "nucleaire cluster" gericocheerd voordat hij samenging met de tweede, kleiner zwart gat - een rauwe gebeurtenis die zwaartekrachtgolven door de ruimte liet kabbelen.

GW190412 kan dan een tweede generatie zijn, of "hiërarchische" fusie, onderscheiden van andere fusies van de eerste generatie die LIGO en Virgo tot nu toe hebben ontdekt.

"Deze gebeurtenis is een vreemde eend in de bijt door het universum - het was iets dat we niet zagen aankomen, " zegt studie co-auteur Salvatore Vitale, een assistent-professor natuurkunde aan het MIT en een LIGO-lid. "Maar niets gebeurt maar één keer in het universum. En zoiets als dit, hoewel zeldzaam, we zullen weer zien, en we zullen meer kunnen zeggen over het universum."

Vitale's co-auteurs zijn Davide Gerosa van de Universiteit van Birmingham en Emanuele Berti van de Johns Hopkins University.

Een worsteling om uit te leggen

Er zijn twee belangrijke manieren waarop fusies van zwarte gaten worden verondersteld te ontstaan. De eerste staat bekend als een gemeenschappelijk envelopproces, waar twee naburige sterren, na miljarden jaren, exploderen om twee aangrenzende zwarte gaten te vormen die uiteindelijk een gemeenschappelijk omhulsel delen, of schijf van gas. Na nog een paar miljard jaar, de zwarte gaten spiraalsgewijs naar binnen en versmelten.

"Je kunt dit zien als een stel dat hun hele leven samen is, "zegt Vitale. "Dit proces vindt waarschijnlijk plaats in de schijf van sterrenstelsels zoals de onze."

Het andere veel voorkomende pad waarlangs zwarte gaten samensmelten, is via dynamische interacties. Stel je voor, in plaats van een monogame omgeving, een galactische rave, waar duizenden zwarte gaten in een kleine, dicht gebied van het heelal. Wanneer twee zwarte gaten gaan samenwerken, een derde kan het paar uit elkaar halen in een dynamische interactie die zich vele malen kan herhalen, voordat een paar zwarte gaten uiteindelijk samensmelten.

In zowel het gemeenschappelijke envelopproces als het dynamische interactiescenario, de samensmeltende zwarte gaten zouden ongeveer dezelfde massa moeten hebben, in tegenstelling tot de scheve massaverhouding van GW190412. Ze zouden ook relatief geen spin moeten hebben, terwijl GW190412 een verrassend hoge spin heeft.

"De conclusie is, beide scenario's, waarvan mensen traditioneel denken dat het ideale kraamkamers zijn voor zwart-gat dubbelsterren in het universum, moeite hebben om de massaverhouding en spin van deze gebeurtenis te verklaren, ' zegt Vital.

Zwart gat tracker

In hun nieuwe krant de onderzoekers gebruikten twee modellen om aan te tonen dat het zeer onwaarschijnlijk is dat GW190412 afkomstig is van een gemeenschappelijk omhullingsproces of een dynamische interactie.

Ze hebben eerst de evolutie van een typisch sterrenstelsel gemodelleerd met behulp van STAR TRACK, een simulatie die sterrenstelsels gedurende miljarden jaren volgt, beginnend met het samensmelten van gas en verdergaand met de manier waarop sterren vorm krijgen en exploderen, en dan instorten in zwarte gaten die uiteindelijk samensmelten. Het tweede model simuleert willekeurige, dynamische ontmoetingen in bolhopen - dichte concentraties van sterren rond de meeste sterrenstelsels.

Het team heeft beide simulaties meerdere keren uitgevoerd, het afstemmen van de parameters en het bestuderen van de eigenschappen van de fusies van zwarte gaten die ontstonden. Voor die fusies die zijn gevormd via een gemeenschappelijk envelopproces, een fusie als GW190412 was zeer zeldzaam, pas na een paar miljoen gebeurtenissen opduiken. Dynamische interacties hadden iets meer kans om zo'n gebeurtenis te produceren, na een paar duizend fusies.

Echter, GW190412 werd gedetecteerd door LIGO en Maagd na slechts 50 andere detecties, wat suggereert dat het waarschijnlijk is ontstaan ​​door een ander proces.

"Wat we ook doen, we kunnen deze gebeurtenis niet gemakkelijk produceren in deze meer gebruikelijke formatiekanalen, ' zegt Vital.

Het proces van hiërarchische samenvoeging kan de scheve massa en de hoge spin van de GW190412 beter verklaren. Als een zwart gat het product was van een eerdere koppeling van twee ouderzwarte gaten met een vergelijkbare massa, het zou zelf massiever zijn dan beide ouders, en later zijn partner van de eerste generatie aanzienlijk overschaduwen, het creëren van een hoge massaverhouding bij de uiteindelijke fusie.

Een hiërarchisch proces kan ook leiden tot een fusie met een hoge spin:de bovenliggende zwarte gaten, in hun chaotische samensmelting, het resulterende zwarte gat zou doen spinnen, die dan deze spin in zijn eigen uiteindelijke botsing zou brengen.

"Je doet de wiskunde, en het blijkt dat het overgebleven zwarte gat een spin zou hebben die heel dicht bij de totale spin van deze fusie ligt, ' legt Vital uit.

Geen ontsnapping

Als GW190412 inderdaad is gevormd door hiërarchische samenvoeging, Vitale zegt dat het evenement ook licht kan werpen op de omgeving waarin het zich heeft gevormd. Het team ontdekte dat als het grootste van de twee zwarte gaten gevormd is door een eerdere botsing, die botsing heeft waarschijnlijk een enorme hoeveelheid energie gegenereerd die niet alleen een nieuw zwart gat heeft voortgebracht, maar schopte het over enige afstand.

"Als er te hard wordt getrapt, het zou gewoon de cluster verlaten en in het lege interstellaire medium gaan, en niet meer kunnen samenvoegen, ' zegt Vital.

Als het object opnieuw kon worden samengevoegd (in dit geval om GW190412) te produceren, het zou betekenen dat de kick die het kreeg niet genoeg was om te ontsnappen aan de sterrenhoop waarin het zich vormde. Als GW190412 inderdaad een product is van hiërarchische samenvoeging, het team berekende dat het zou zijn gebeurd in een omgeving met een ontsnappingssnelheid hoger dan 150 kilometer per seconde. Voor perspectief, de ontsnappingssnelheid van de meeste bolvormige sterrenhopen is ongeveer 50 kilometer per seconde.

Dit betekent dat de omgeving waar GW190412 vandaan kwam een ​​enorme aantrekkingskracht had, en het team gelooft dat zo'n omgeving ofwel de schijf van gas rond een superzwaar zwart gat kan zijn, of een "nucleaire cluster" - een ongelooflijk dicht gebied van het universum, boordevol tientallen miljoenen sterren.

"Deze fusie moet van een ongewone plaats zijn gekomen, " zegt Vitale. "Terwijl LIGO en Maagd nieuwe detecties blijven maken, we kunnen deze ontdekkingen gebruiken om nieuwe dingen over het universum te leren."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.