Co dzieje się z masywnymi czarnymi dziurami w centrach galaktyk, kiedy te łączą się ze sobą?
Pojawiające się pytania
Dwie galaktyki, dryfujące we Wszechświecie, mijają się w bliskiej odległości. Jeżeli zostaną grawitacyjnie splątane, rozpoczyna się trwający miliardy lat proces łączenia się galaktyk, które stopniowo zlewają się w jedną galaktykę. Jako część tego procesu, masywne czarne dziury w centrach łączących się galaktyk przechodzą własną fuzję.
Kiedy te masywne czarne dziury rozpoczynają swoją spiralę śmierci, napotykają na inną galaktyczną materię, taką jak gwiazdy i gaz. Podczas gdy symulacje wykazały, że oddziaływanie z pobliskimi gwiazdami powoduje, że układ podwójny czarnych dziur szybciej okrąża się po spirali, wyniki nie są tak jednoznaczne, jeżeli chodzi materię gazową. Niektóre badania wykazały, że obecność gazu przyspiesza fuzję, podczas gdy inne sugerują, że ją opóźnia.
Tempo łączenia się masywnych czarnych dziur ma znaczenie dla przyszłych obserwatoriów fal grawitacyjnych, takich jak Laser Interferometer Space Antenna (LISA). Oczekuje się, że łączenia się czarnych dziur w jądrach zderzających się galaktyk będą w nadchodzących badaniach najgłośniejszym źródłem fal grawitacyjnych o niskiej częstotliwości – ale jeżeli jakiś proces zapobiegnie tym zderzeniom, może nie być czego słuchać.
Czarne dziury na papierze
Elisa Bortolas (Uniwersytet Milano-Bicocca, Włochy) i jej współpracownicy użyli matematycznego modelu łączenia się czarnych dziur, aby zrozumieć, jak oddziaływania z gwiazdami i obecność gazu wpływają na wzajemne okrążanie się układu podwójnego czarnych dziur. W przeciwieństwie do większości wcześniejszych prac, zestaw równań różniczkowych opracowanych przez zespół Bortolas pozwolił na jednoczesne rozważenie wpływu gwiazd i gazu.
Autorzy pracy odkryli, że gwiazdy i gaz mają tendencję do konkurowania ze sobą w miarę, jak czarne dziury się łączą. Jeżeli para czarnych dziur akreuje tylko niewielką ilość masy z otaczającej ją materii, oddziaływania grawitacyjne z pobliskimi gwiazdami powodują zacieśnianie się pary czarnych dziur. Jeżeli tempo akrecji jest większe, obecność gazowego dysku powoduje rozszerzanie się układu podwójnego czarnych dziur, opóźniając połączenie. W końcu jednak gwiazdy zwyciężają, a para zbliża się do siebie na tyle, że wyrzuca olbrzymie ilości energii w postaci fal grawitacyjnych, wysyłając czarne dziury na kurs kolizyjny.
Patrząc w przyszłość na nadchodzące detekcje
Wyniki uzyskane przez zespół Bortolas pokazują, że obecność gazu może opóźniać połączenie, ale nie zapobiegnie mu całkowicie. W warunkach, które badali autorzy, obecność gazu wydłużała czas do złączenia kilkukrotnie, ale wszystkie fuzje następowały w ciągu kilkuset milionów lat.
Jest to dobra wiadomość dla LISA i innych detektorów fal grawitacyjnych, a są także implikacje dla nie grawitacyjnych detekcji tych zdarzeń; obecność gazu w otoczeniu czarnych dziur wydaje się powodować, że zatrzymują się one w odległości zaledwie kilku lat świetlnych od siebie, zwiększając szansę na wykrycie ich w tej fazie.
Więcej informacji:
- Merging Black Holes vs. Gas and Stars
- The Competing Effect of Gas and Stars in the Evolution of Massive Black Hole Binaries
Źródło: AAS
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Na ilustracji: Symulacja przedstawiająca masywną czarną dziurę w centrum galaktyki. Źródło: NASA, ESA i D. Coe, J. Anderson oraz R. van der Marel (STScI)
