Nowe badania, przeprowadzone w następstwie odkrycia fal grawitacyjnych, rzucają światło na środowiska, które mogą prowadzić do łączenia się czarnych dziur.
Pierwsze fale grawitacyjne, które początkowo zostały przewidziane przez Alberta Einsteina w 1916 roku, zostały wykryte z Ziemi w 2015 roku. Jednakże, ustalenie ich pochodzenia w kosmosie pozostawało kwestią otwartą. W obecnych obserwacjach fali grawitacyjnych, mogliśmy wykryć tylko te, które pochodziły z odległych miejsc, gdzie występowały duże i bardzo gęste obiekty, takie jak czarne dziury lub gwiazdy neutronowe, znajdujące się blisko siebie. Obecnie odnotowano ponad 90 takich detekcji, choć pierwotne środowisko astrofizyczne, które pozwala tym obiektom zbliżyć się na tyle, aby emitować fale grawitacyjne, pozostaje tajemnicą.
Jednym z potencjalnych środowisk, w których czarne dziury mogą często łączyć się, są kwazary. Kwazar to gigantyczne, aktywne jądro galaktyczne napędzane przez supermasywną czarną dziurę. Wokół tej czarnej dziury wiruje gęsty dysk z gazu, poruszający się z prędkością bliską prędkości światła, co skutkuje niezwykle intensywnymi emisjami świetlnymi.
Interakcje pomiędzy czarnymi dziurami o masie gwiazdowej a dyskami gazowymi supermasywnych czarnych dziur są niezwykle złożone i wymagają przeprowadzenia skomplikowanych symulacji komputerowych w celu ich pełnego zrozumienia. W najnowszych badaniach zespół astronomów z Uniwersytetu Oksfordzkiego oraz Uniwersytetu Columbia dokonał analizy zachowania takich czarnych dziur o masie gwiazdowej, które zasiedlają dyski. Wyniki tych badań sugerują, że czarne dziury o masie gwiazdowej mogą być przyciągane do gęstych dysków gazowych kwazarów oraz być wciągane do układów podwójnych w wyniku oddziaływań grawitacyjnych między sobą a gazem w tych dyskach.
Zespół przeprowadził wysokiej rozdzielczości symulacje gazowego dysku kwazara zawierającego dwie gwiazdowe czarne dziury. Głównym celem tych symulacji było sprawdzenie, czy czarne dziury mogą zostać schwytane w grawitacyjnie związany układ podwójny, a następnie ewentualnie połączyć się w późniejszym czasie w dysku gazowym. W celu osiągnięcia tego, wykorzystano 25 milionów cząsteczek gazu do dokładnego odwzorowania skomplikowanych przepływów gazu podczas takiego spotkania. Cały proces obliczeniowy dla każdej symulacji wymagał około 3 miesięcy pracy.
Badania symulacyjne wykazują, że gaz ma zdolność do redukcji prędkości czarnych dziur podczas ich zbliżenia. Dzięki temu czarne dziury, które normalnie oddaliłyby się od siebie, pozostają związane grawitacyjnie, utrzymując orbitę wokół siebie, podczas gdy jednocześnie krążą wokół supermasywnej czarnej dziury. Taki efekt jest możliwy dzięki oddziaływaniu grawitacyjnemu między czarnymi dziurami a masywnymi strumieniami gazu w dysku, a także poszczególnymi „mini” dyskami otaczającymi każdą z nich.
Ponadto, bezpośredni opór gazu analogiczny do oporu powietrza również odgrywa rolę, gdy gaz „zjadany” przez czarne dziury na ich drodze zmusza je do spowolnienia. W odpowiedzi na pochłanianie energii kinetycznej czarnej dziury poprzez oddziaływanie grawitacyjne, gaz jest gwałtownie wyrzucany natychmiast po spotkaniu. Wynik ten występuje w większości symulacji i potwierdza wcześniejsze oczekiwania, że gaz znacznie ułatwia przechwytywanie czarnych dziur w związane pary.
Odkryto także, że kierunek orbity czarnych dziur ma wpływ na ich proces ewolucji. W przypadku wstecznych układów podwójnych, gdzie czarne dziury krążą wokół siebie w kierunku przeciwnym do ich orbity wokół supermasywnej czarnej dziury, mogą one zbliżyć się na tyle, że generują znaczące fale grawitacyjne. Te fale szybko rozpraszają ich orbitalną energię poprzez emisję, co prowadzi do ich gwałtownego połączenia.
Te symulacje mają na celu odpowiedzieć na dwa kluczowe pytania: czy gaz może działać jako katalizator dla powstawania układów podwójnych czarnych dziur oraz czy te układy ostatecznie mogą zbliżyć się do siebie i połączyć? Aby wyjaśnić pochodzenie obserwowanych sygnałów fal grawitacyjnych, obie odpowiedzi muszą być twierdzące.
Wyniki te są niezwykle ekscytujące, ponieważ potwierdzają, że łączenia czarnych dziur w dyskach supermasywnych czarnych dziur mogą się zdarzyć i prawdopodobnie wyjaśniają wiele lub być może większość sygnałów fal grawitacyjnych, które obserwujemy dzisiaj – powiedział prof. Bence Kocsis, współautor artykułu.
Jeśli istotna część zdarzeń, które obserwujemy obecnie i przewidujemy w przyszłości, jest wynikiem tego zjawiska, powinniśmy być w stanie dostrzec bezpośrednią zależność między kwazarami a źródłami fal grawitacyjnych na niebie – dodaje prof. Zoltán Haiman z Columbia University, kolejny współautor pracy naukowej.
Więcej informacji:
- Quasar discs could host black hole collision events
- Black Hole Binary Formation in AGN Discs: From Isolation to Merger
Źródło: RAS
Opracowanie: Agnieszka Nowak
Na ilustracji: Symulacja łączących się czarnych dziur oraz mini dysków wokół każdej z czarnych dziur. Źródło: Connar Rowan i inni
