V únoru 2016 vědci pracující pro gravitační vlnovou observatoř s laserovým interferometrem (LIGO) vytvořili historii, když oznámili vůbec první detekci gravitačních vln. Tento objev nejen potvrdil staletou predikci vytvořenou Einsteinovou teorií obecné relativity, ale také potvrdil existenci hvězdných binárních černých děr - které se spojily a vytvořily signál na prvním místě.
A nyní mezinárodní tým vedený astrofyzikem MIT Carlem Rodriguezem vypracoval studii, která naznačuje, že černé díry se mohou sloučit vícekrát. Podle jejich studie k těmto „fúzím druhé generace“ pravděpodobně dochází v globulárních shlucích, velkých a kompaktních hvězdokupách, které obvykle obíhají na okrajích galaxií - a které jsou hustě nabity stovkami tisíc až miliónů hvězd.
Studie s názvem „Post-newtonovská dynamika v hustých hvězdných klastrech: vysoce excentrická, vysoce spřádaná a opakovaná fúzí binárních černých děr“, se nedávno objevila v Dopisy fyzické kontroly. Studii vedl Carl Rodriguez, spolupracovník Pappalarda na Katedře fyziky MIT a Institutu pro astrofyziku a kosmický výzkum Kavli, a zahrnuli členy Ústavu kosmických věd a Centra pro mezioborový výzkum a výzkum v astrofyzice (CIERA).
Jak Carl Rodriguez vysvětlil v nedávné tiskové zprávě MIT:
"Myslíme si, že se tyto klastry vytvořily se stovkami až tisíci černých děr, které se rychle upadly do středu. Tyto druhy klastrů jsou v podstatě továrnami na binární soubory s černými děrami, kde máte v malé oblasti prostoru tolik černých děr, že by se mohly sloučit dvě černé díry a vytvořit tak mohutnější černou díru. Pak může nová černá díra najít jiného společníka a znovu se spojit. “
Globulární klastry byly zdrojem fascinace od té doby, co je astronomové poprvé pozorovali v 17. století. Tyto sférické sbírky hvězd patří mezi nejstarší známé hvězdy ve vesmíru a lze je nalézt ve většině galaxií. V závislosti na velikosti a typu galaxie, kterou obíhají, se počet shluků liší, přičemž eliptické galaxie hostují desítky tisíc, zatímco galaxie jako Mléčná dráha mají více než 150.
Po celá léta Rodriguez zkoumal chování černých děr uvnitř globulárních shluků, aby zjistil, zda interagují s jejich hvězdami odlišně od černých děr, které zabírají méně hustě obydlené oblasti ve vesmíru. Aby otestoval tuto hypotézu, Rodriguez a jeho kolegové použili superpočítač Quest na Northwestern University k provádění simulací na 24 hvězdných klastrech.
Velikost těchto shluků se pohybovala od 200 000 do 2 milionů hvězd a pokrývala různé hustoty a kovové kompozice. Simulace modelovaly vývoj jednotlivých hvězd v těchto klastrech v průběhu 12 miliard let. Toto rozpětí času stačilo sledovat tyto hvězdy, když se vzájemně ovlivňovaly, a nakonec vytvořily černé díry.
Simulace také modelovaly vývoj a trajektorie černých děr, jakmile se vytvořily. Jak Rodriguez vysvětlil:
"Úhledná věc je, že protože černé díry jsou nejmasivnější objekty v těchto shlucích, klesají do středu, kde získáte dostatečně vysokou hustotu černých děr, aby vytvořily binární soubory." Binární černé díry jsou v zásadě podobné obřím cílům visícím ve shluku a jak na ně házíte jiné černé díry nebo hvězdy, podléhají těmto šíleným chaotickým setkáním. “
Zatímco předchozí simulace byly založeny na Newtonově fyzice, tým se rozhodl přidat Einsteinovy relativistické efekty do svých simulací globulárních shluků. Důvodem byla skutečnost, že gravitační vlny nebyly předpovídány Newtonovými teoriemi, ale Einsteinovou teorií obecné relativity. Jak naznačil Rodriguez, umožnilo jim to vidět, jak roli hrály gravitační vlny:
"To, co lidé v minulosti udělali, bylo považovat to za čistě newtonovský problém." Newtonova teorie gravitace funguje v 99,9 procentech všech případů. Nemnoho případů, ve kterých to nefunguje, může být, když máte dvě černé díry, které si navzájem velmi úzce bzučí, což se normálně nestane ve většině galaxií ... V Einsteinově teorii obecné relativity, kde mohu vydávat gravitační vlny, pak když jedna černá díra prochází blízko druhé, může skutečně vydat malý pulz gravitačních vln. To může odečíst dostatek energie ze systému, aby se obě černé díry skutečně spojily, a pak se rychle sloučí. “
Pozorovali, že uvnitř hvězdných shluků se černé díry spojí, aby vytvořily nové černé díry. V předchozích simulacích Newtonova gravitace předpověděla, že většina binárních černých děr bude vyhozena z klastru dříve, než se budou moci sloučit. Rodriguez a jeho tým však při zohlednění relativistických efektů zjistili, že téměř polovina binárních černých děr se spojila a vytvořila masivnější.
Jak vysvětlil Rodriguez, rozdíl mezi těmi, kteří se spojili, a těmi, kteří byli vyhozen, se rozpadl:
"Pokud se dvě černé díry točí, když se sloučí, černá díra, kterou vytvoří, budou emitovat gravitační vlny v jednom preferovaném směru, jako je raketa, čímž vytvoří novou černou díru, která dokáže vystřelit rychlostí až 5 000 kilometrů za sekundu - takže šíleně rychle. K útěku z těchto shluků stačí kopnout možná několik desítek až sto kilometrů za sekundu. “
To vyvolalo další zajímavý fakt o předchozích simulacích, kde se astronomové domnívali, že produkt jakékoli fúze černých děr bude vyhozen ze shluku, protože se předpokládá, že většina černých děr se rychle točí. Zdá se však, že měření gravitačních vln nedávno získaná od LIGO jsou v rozporu, což detekovalo pouze sloučení binárních černých děr s nízkými točbami.
Zdá se však, že tento předpoklad je v rozporu s měřeními LIGO, která doposud detekovala pouze binární černé díry s nízkými otáčkami. Aby otestovali důsledky toho, Rodriguez a jeho kolegové ve svých simulacích snížili rychlost rotace černých děr. Zjistili, že téměř 20% binárních černých děr ze shluků mělo alespoň jednu černou díru, která se pohybovala od 50 do 130 solárních hmot.
V podstatě to naznačovalo, že se jednalo o černé díry „druhé generace“, protože vědci se domnívají, že této hmoty nelze dosáhnout černou dírou vytvořenou z jediné hvězdy. Při pohledu dopředu, Rodriguez a jeho tým předvídají, že pokud LIGO detekuje objekt s hmotou v tomto rozmezí, je to pravděpodobně výsledek černých děr, které se spojují v husté hvězdné hvězdokupě, spíše než z jediné hvězdy.
"Pokud budeme čekat dost dlouho, pak LIGO nakonec uvidí něco, co by mohlo pocházet pouze z těchto hvězdokup, protože by to bylo větší než cokoli, co byste mohli získat od jediné hvězdy," říká Rodriguez. "S mými spoluautory jsme vsadili na pár lidí studujících binární hvězdnou formaci, že během prvních 100 detekcí LIGO bude LIGO detekovat něco v rámci této horní mezery. Dostanu pěknou láhev vína, pokud se tak stane. “
Detekce gravitačních vln byla historickým úspěchem a umožnila astronomům provádět nový a vzrušující výzkum. Vědci již získávají nový pohled na černé díry studováním vedlejšího produktu jejich fúzí. V nadcházejících letech můžeme očekávat, že se díky zdokonaleným metodám a zvýšené spolupráci mezi observatořími naučíme mnohem více.
