Astronomen blijven computersimulaties ontwikkelen om toekomstige observatoria te helpen zich beter thuis te voelen in zwarte gaten, de meest ongrijpbare bewoners van het universum.

Hoewel zwarte gaten waarschijnlijk overvloedig aanwezig zijn in het universum, ze zijn notoir moeilijk te zien. Wetenschappers hebben pas in 2019 het eerste radiobeeld van een zwart gat vastgelegd, en slechts ongeveer vier dozijn samensmeltingen van zwarte gaten zijn gedetecteerd door hun kenmerkende zwaartekrachtrimpelingen sinds de eerste detectie in 2015.

Dat zijn niet veel gegevens om mee te werken. Dus wetenschappers kijken naar simulaties van zwarte gaten om cruciaal inzicht te krijgen dat zal helpen bij het vinden van meer fusies met toekomstige missies. Sommige van deze simulaties, gemaakt door wetenschappers zoals astrofysicus Scott Noble, volgen superzware zwarte gaten binaire systemen. Dat is waar twee monsterlijke zwarte gaten, zoals die in de centra van sterrenstelsels, dicht om elkaar heen cirkelen totdat ze uiteindelijk samensmelten.

De simulaties, gemaakt door computers die door reeksen vergelijkingen werken die te ingewikkeld zijn om met de hand op te lossen, illustreren hoe materie interageert in fusieomgevingen. Wetenschappers kunnen wat ze leren over het samensmelten van zwarte gaten gebruiken om enkele veelbetekenende kenmerken te identificeren waarmee ze samensmeltingen van zwarte gaten kunnen onderscheiden van stellaire gebeurtenissen. Astronomen kunnen dan naar deze veelbetekenende tekens zoeken en echte samensmeltingen van zwarte gaten spotten.

Edele, die werkt bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, zei dat deze binaire systemen zwaartekrachtsgolven uitzenden en omringende gassen beïnvloeden, wat leidt tot unieke lichtshows die detecteerbaar zijn met conventionele telescopen. Hierdoor kunnen wetenschappers meer te weten komen over verschillende aspecten van hetzelfde systeem. Multimessenger-waarnemingen die verschillende vormen van licht of zwaartekrachtsgolven combineren, zouden wetenschappers in staat kunnen stellen hun modellen van binaire systemen van zwarte gaten te verfijnen.

"We vertrouwden op licht om alles daarbuiten te zien, ' zei Noble. 'Maar niet alles straalt licht uit, dus de enige manier om twee zwarte gaten direct te 'zien' is door de zwaartekrachtsgolven die ze genereren. Zwaartekrachtsgolven en het licht van het omringende gas zijn onafhankelijke manieren om over het systeem te leren. en de hoop is dat ze elkaar op hetzelfde punt zullen ontmoeten."

Binaire simulaties van zwarte gaten kunnen ook helpen bij de missie Laser Interferometer Space Antenna (LISA). Dit observatorium voor zwaartekrachtgolven in de ruimte, geleid door de European Space Agency met belangrijke bijdragen van NASA, wordt naar verwachting in 2034 gelanceerd. Als simulaties bepalen welke elektromagnetische kenmerken een binair zwart gatsysteem onderscheiden van andere gebeurtenissen, wetenschappers konden deze systemen detecteren voordat LISA vliegt, zei Nobel. Deze waarnemingen kunnen vervolgens worden bevestigd door aanvullende detecties zodra LISA wordt gelanceerd.

Dat zou wetenschappers in staat stellen om te verifiëren dat LISA werkt, systemen langere tijd observeren voordat ze samensmelten, voorspellen wat er gaat gebeuren, en test die voorspellingen.

"Dat is ons nog nooit gelukt, "Zei Noble. "Dat is echt spannend."

De simulaties zijn gebaseerd op code die beschrijft hoe de dichtheid en druk van plasma verandert in gebieden met sterke zwaartekracht in de buurt van een enkel zwart gat of neutronenster, zei Nobel. Hij wijzigde de code om twee zwarte gaten te laten evolueren.

Noble werkt samen met Goddard en universitaire partners, waaronder Bernard Kelly aan de Universiteit van Maryland, Manuela Campanelli leidt een team van onderzoekers aan het Rochester Institute of Technology, en Julian Krolik die een onderzoeksteam van de Johns Hopkins University leidt.

Kelly maakt simulaties met behulp van een speciale benadering die een bewegende punctiesimulatie wordt genoemd.

Met deze simulaties kunnen wetenschappers voorkomen dat ze een singulariteit vertegenwoordigen binnen de waarnemingshorizon - het deel van het zwarte gat waaruit niets kan ontsnappen, zei Kelly. Alles buiten die gebeurtenishorizon evolueert, terwijl de objecten binnenin bevroren blijven van eerder in de simulatie. Hierdoor kunnen wetenschappers over het hoofd zien dat ze niet weten wat er gebeurt binnen een waarnemingshorizon.

Om situaties uit het echte leven na te bootsen, waar zwarte gaten accretieschijven van gas ophopen, stof, en diffuse materie, wetenschappers moeten extra code opnemen om bij te houden hoe het geïoniseerde materiaal interageert met magnetische velden.

"We proberen verschillende codes en simulatiemethoden naadloos en correct aan elkaar te lijmen om één coherent beeld te produceren, ' zei Kelly.

in 2018, het team publiceerde een analyse van een nieuwe simulatie in Het astrofysische tijdschrift die de fysieke effecten van Einsteins algemene relativiteitstheorie volledig incorporeerde om de effecten van een fusie op de omgeving eromheen te laten zien. De simulatie stelde vast dat het gas in binaire zwarte gatensystemen voornamelijk zal gloeien in ultraviolet en röntgenlicht.

Simulaties toonden ook aan dat accretieschijven in deze systemen niet helemaal glad zijn. Een dichte klomp vormt zich in een baan om de binaire, en elke keer dat een zwart gat dichterbij komt, het trekt materie uit de klomp. Die botsing verwarmt de zaak, het produceren van een helder signaal en het creëren van een waarneembare lichtfluctuatie.

Naast het vergroten van hun vertrouwen in de nauwkeurigheid van de simulaties, Goddard astrophysicist Jeremy Schnittman said they also need to be able to apply the same simulation code to a single black hole or a binary and show the similarities and also the differences between the two systems.

"The simulation are going to tell us what the systems should look like, " Schnittman said. "LISA works more like a radio antenna as opposed to an optical telescope. We're going to hear something in the universe and get its basic direction, but nothing very precise. What we have to do is take other telescopes and look in that part of the sky, and the simulations are going to tell us what to look for to find a merging black hole."

Kelly said LISA will be more sensitive to lower gravitational wave frequencies than the current ground-based gravitational wave observer, the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO). That means LISA will be able to sense smaller-mass binary systems much earlier and will likely detect merging systems in time to alert electromagnetic telescopes.

For Schnittman, these simulations are key to understanding the real-life data LISA and other spacecraft collect. The case for models may be even stronger for binary black holes, Schnittman said, because the scientific community has little data.

"We probably will never find a binary black hole with a telescope until we simulate them to the point we know exactly what we're looking for, because they're so far away, they're so tiny, you're going to see just one speck of light, " Schnittman said. "We need to be able to look for that smoking gun."