Een artistieke impressie van twee superzware zwarte gaten die op het punt staan ​​samen te smelten. Er wordt aangenomen dat superzware zwarte gaten, de grootste zwarte gaten in het heelal, zich in de centra van de meeste sterrenstelsels bevinden. Wanneer sterrenstelsels samensmelten, wordt verwacht dat ook hun superzware zwarte gaten zullen samensmelten, een proces dat waarschijnlijk de drijvende kracht is achter veel van de heldere gebeurtenissen die in het verre heelal worden waargenomen. Krediet:NASA/CXC/M.Weiss

Er wordt aangenomen dat superzware zwarte gaten, de grootste zwarte gaten in het heelal, zich in de centra van de meeste sterrenstelsels bevinden. Wanneer sterrenstelsels botsen, worden ook hun centrale zwarte gaten samengebracht, waardoor ze uiteindelijk in een binair paar terechtkomen. Terwijl deze binaire zwarte gaten naar elkaar toe draaien, zenden ze krachtige zwaartekrachtsgolven uit, rimpelingen in de kromming van de ruimtetijd. In 2015 detecteerde de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) de eerste zwaartekrachtsgolven van een samensmeltend binair zwart gatpaar.

Hoe superzware zwarte gaten precies paren vormen tijdens het samensmelten van sterrenstelsels is tot nu toe slecht begrepen. Een team van onderzoekers van het Center for Computational Astrophysics (CCA) van het Flatiron Institute in New York City voerde numerieke simulaties uit om dit probleem te onderzoeken. De resultaten, gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters, laten zien hoe superzware zwarte gaten door zwaartekracht gebonden raken tijdens de chaotische nasleep van een galactische botsing.

De onderzoekers gebruikten een techniek genaamd Smoothed Particle Hydrodynamics om de complexe bewegingen van het gas en de sterren waaruit sterrenstelsels bestaan ​​tijdens een botsing te volgen. Ze ontdekten dat nadat twee schijfstelsels zijn samengesmolten, hun superzware zwarte gaten een binair paar vormen, zelfs toen de zwarte gaten relatief ver uit elkaar begonnen. Dit gebeurt omdat de sterren en het gas in de sterrenstelsels als een soort lijm werken en de zwarte gaten bij elkaar houden door hun zwaartekrachtinteracties.

“Onze simulaties laten zien hoe superzware zwarte gaten gebonden paren vormen tijdens het samensmelten van sterrenstelsels, wat voor hen een noodzakelijke stap is om uiteindelijk te kunnen samensmelten en zwaartekrachtsgolven uit te zenden. De LIGO-waarnemingen van zwaartekrachtsgolven van samensmeltende zwarte gaten bieden dus indirect inzicht in de dynamiek van het samensmelten van sterrenstelsels”, zegt Volker Springel, lid van de CCA en hoogleraar astrofysica aan het Heidelberg Instituut voor Theoretische Studies.

De simulaties laten zien dat sterrenstelsels met meer sterren en gas in staat zijn hun superzware zwarte gaten in strakkere binaire paren te binden dan sterrenstelsels met een lagere dichtheid. De eigenschappen van de binaire zwarte gaten die in deze simulaties worden geproduceerd, komen overeen met de waarnemingen van binaire zwarte gaten die door LIGO zijn gedaan.

Dit onderzoek biedt belangrijke inzichten in de fysica van het samensmelten van sterrenstelsels. Deze inzichten zullen cruciaal zijn voor het detecteren en interpreteren van toekomstige zwaartekrachtgolfsignalen van samensmeltende zwarte gaten, en voor het begrijpen van de evolutie van sterrenstelsels in de loop van de tijd.