În februarie 2016, oamenii de știință care lucrează pentru Observatorul Laser Interferometru Gravitational-Wave (LIGO) au făcut istorie când au anunțat prima detectare a undelor gravitaționale. Această descoperire nu numai că a confirmat o prezicere veche de un secol făcută de Teoria relativității generale a lui Einstein, ci a confirmat și existența unor găuri negre binare stelare - care s-au contopit pentru a produce semnalul.
Și acum, o echipă internațională condusă de astrofizicul MIT Carl Rodriguez a realizat un studiu care sugerează că găurile negre se pot contopi de mai multe ori. Potrivit studiului lor, aceste „fuziuni de a doua generație” apar probabil în cadrul grupurilor globulare, grupurile de stele mari și compacte care orbitează de obicei la marginile galaxiilor - și care sunt împachetate dens cu sute de mii până la milioane de stele.
Studiul, intitulat „Dinamica post-newtoniană în clusterele cu stele dense: concentrații extrem de excentrice, învârtite înalte și fuziuni binare cu găuri negre”, a apărut recent în Scrisori de revizuire fizică. Studiul a fost condus de Carl Rodriguez, un coleg Pappalardo din Departamentul de Fizică al MIT și Institutul Kavli pentru Astrofizică și Cercetare Spațială și a inclus membri de la Institutul de Științe Spațiale și Centrul pentru Explorare și Cercetare Interdisciplinară în Astrofizică (CIERA).
După cum a explicat Carl Rodriguez într-un recent comunicat de presă al MIT:
„Credem că aceste grupuri s-au format cu sute până la mii de găuri negre care s-au scufundat rapid în centru. Aceste tipuri de clustere sunt, în esență, fabrici pentru binarele găurilor negre, în care aveți atâtea găuri negre atârnate într-o regiune mică de spațiu încât două găuri negre ar putea contopi și produce o gaură neagră mai masivă. Atunci acea nouă gaură neagră poate găsi un alt însoțitor și se poate contopi din nou. "
Grupurile globulare au fost o sursă de fascinație încă de când astronomii le-au observat pentru prima dată în secolul al XVII-lea. Aceste colecții sferice de stele sunt printre cele mai vechi stele cunoscute din Univers și pot fi găsite în majoritatea galaxiilor. În funcție de dimensiunea și tipul galaxiei pe care o orbitează, numărul de grupuri variază, galaxiile eliptice găzduind zeci de mii, în timp ce galaxiile precum Calea Lactee au peste 150.
De ani buni, Rodriguez a investigat comportamentul găurilor negre din grupurile globulare pentru a vedea dacă interacționează cu stelele lor diferit de găurile negre care ocupă regiuni mai puțin dens în spațiu. Pentru a testa această ipoteză, Rodriguez și colegii săi au folosit supercomputerul Quest la Universitatea Northwestern pentru a realiza simulări pe 24 de grupuri stelare.
Aceste grupuri au avut dimensiuni cuprinse între 200.000 și 2 milioane de stele și au acoperit o serie de densități diferite și compoziții metalice. Simulările au modelat evoluția stelelor individuale din aceste grupuri pe parcursul a 12 miliarde de ani. Acest interval de timp a fost suficient pentru a urma aceste stele, deoarece au interacționat între ele și, în cele din urmă, au format găuri negre.
Simulările au modelat, de asemenea, evoluția și traiectoriile găurilor negre odată ce s-au format. După cum a explicat Rodriguez:
„Lucrul clar este, deoarece găurile negre sunt cele mai masive obiecte din aceste grupuri, acestea se scufundă spre centru, unde obțineți o densitate suficient de mare de găuri negre pentru a forma binare. Gurile negre binare sunt practic ca niște ținte gigantice care se agăță în cluster și, pe măsură ce arunci alte găuri negre sau stele, ele suferă aceste întâlniri haotice nebune. "
În timp ce simulările anterioare s-au bazat pe fizica lui Newton, echipa a decis să adauge efectele relativiste ale lui Einstein în simulările lor de grupuri globulare. Acest lucru s-a datorat faptului că undele gravitaționale nu au fost prezise de teoriile lui Newton, ci de Teoria relativității generale a lui Einstein. După cum a indicat Rodriguez, acest lucru le-a permis să vadă cum au jucat undele gravitaționale:
„Ceea ce făcuseră oamenii în trecut era să considere asta ca pe o problemă pur newtoniană. Teoria gravitației din Newton funcționează în 99,9% din toate cazurile. Puținele cazuri în care nu funcționează ar putea fi atunci când aveți două găuri negre care se răsfiră unul de altul foarte îndeaproape, ceea ce în mod normal nu se întâmplă în majoritatea galaxiilor ... În teoria relativității generale a lui Einstein, unde pot emite unde gravitaționale, atunci când o gaură neagră trece pe lângă alta, poate emite de fapt un puls minuscul de unde gravitaționale. Acest lucru poate scădea suficientă energie din sistem încât cele două găuri negre devin efectiv legate, apoi se vor contopi rapid. "
Ceea ce au observat a fost că în interiorul grupurilor stelare, găurile negre se îmbină între ele pentru a crea noi găuri negre. În simulările anterioare, gravitația newtoniană a prezis că majoritatea găurilor negre binare vor fi scoase din cluster înainte de a se putea contopi. Dar, luând în considerare efectele relativiste, Rodriguez și echipa sa au constatat că aproape jumătate din găurile negre binare s-au contopit pentru a forma altele mai masive.
După cum a explicat Rodriguez, diferența dintre cei care s-au contopit și cei care au fost dați afară s-a transformat în rotație:
„Dacă cele două găuri negre se învârt când se contopesc, gaura neagră pe care o creează va emite valuri gravitaționale într-o singură direcție preferată, precum o rachetă, creând o nouă gaură neagră care poate trage la o viteză de 5.000 de kilometri pe secundă - deci, repede nebun. Pentru a scăpa de unul dintre aceste grupuri este nevoie doar de o lovitură de câteva zeci până la o sută de kilometri pe secundă. ”
Acest lucru a ridicat un alt fapt interesant despre simulările anterioare, în care astronomii credeau că produsul oricărei fuziuni a găurilor negre va fi dat afară din cluster, deoarece se presupune că majoritatea găurilor negre se învârt. Cu toate acestea, măsurătorile valurilor gravitaționale obținute recent de la LIGO par să contrazică acest lucru, ceea ce a detectat doar fuziunile găurilor negre binare cu rotiri reduse.
Această presupunere pare însă să contrazică măsurătorile de la LIGO, care până acum a detectat doar găuri negre binare cu rotiri reduse. Pentru a testa implicațiile acestui fapt, Rodriguez și colegii săi au redus viteza de rotire a găurilor negre din simulările lor. Ceea ce au descoperit a fost că aproape 20% din găurile negre binare din clustere aveau cel puțin o gaură neagră care variază de la 50 la 130 de mase solare.
În esență, acest lucru a indicat că acestea au fost găuri negre de „a doua generație”, deoarece oamenii de știință cred că această masă nu poate fi realizată printr-o gaură neagră care s-a format dintr-o singură stea. Privind în perspectivă, Rodriguez și echipa sa anticipează că, dacă LIGO detectează un obiect cu o masă în acest interval, este probabil rezultatul unor găuri negre care se contopesc în clusterul stelar dens, mai degrabă decât dintr-o singură stea.
„Dacă așteptăm destul de mult, atunci, în cele din urmă, LIGO va vedea ceva care ar fi putut veni doar din aceste grupuri de stele, pentru că ar fi mai mare decât orice ai putea obține de la o singură stea”, spune Rodriguez. „Co-autorii mei și am pariat împotriva a doi oameni care studiază formarea de stele binare, că în primele 100 de detectări LIGO, LIGO va detecta ceva în acest decalaj de masă superior. Am o sticlă frumoasă de vin, dacă se întâmplă că acest lucru este adevărat. ”
Detectarea undelor gravitaționale a fost o realizare istorică și care a permis astronomilor să efectueze noi și interesante cercetări. Deja, oamenii de știință obțin o nouă perspectivă asupra găurilor negre, studiând produsul secundar al fuziunilor lor. În anii următori, ne putem aștepta să învățăm mult mai mult datorită îmbunătățirii metodelor și cooperării sporite între observatorii.
