Przejdź do treści

Nowa symulacja rzuca światło na zbliżające się do kolizji supermasywne czarne dziury

Nowy model przybliża naukowców do zrozumienia rodzajów sygnałów promieniowania wytwarzanych, gdy dwie supermasywne czarne dziury o masach od milionów do miliardów mas Słońca, zmierzają do kolizji. Po raz kolejny nowa symulacja komputerowa, która w pełni uwzględnia fizyczne efekty ogólnej teorii względności Einsteina, pokazuje, że gaz w takich układach będzie promieniował głównie w paśmie ultrafioletowym i rentgenowskim.

Mniej więcej każda galaktyka rozmiarów Drogi Mlecznej lub większa posiada w swoim centrum monstrualną czarną dziurę. Obserwacje pokazują, że zderzenia galaktyk występują często we Wszechświecie, ale jak dotąd nikt nie widział procesu łączenia się ogromnych czarnych dziur.

„Wiemy, że galaktyki posiadające centralne czarne dziury łączą się we Wszechświecie cały czas, ale widzimy tylko niewielki ułamek galaktyk z dwiema czarnymi dziurami w pobliżu centrum. Pary, które widzimy, nie emitują silnych fal grawitacyjnych, ponieważ znajdują się zbyt daleko od siebie. Naszym celem jest zidentyfikowanie – przy wykorzystaniu samego promieniowania – jeszcze bliższych par, z których sygnały fal grawitacyjnych zostaną wysłane w przyszłości” – mówi Scott Noble, astrofizyk z Centrum Lotów Kosmicznych Goddarda w Greenbelt.

Naukowcy za pomocą LIGO wykryli połączenie się czarnych dziur o masach gwiazdowych (od trzech do kilkudziesięciu mas Słońca). Fale grawitacyjne to fale czasoprzestrzenne poruszające się z prędkością światła. Powstają, gdy masywne orbitujące obiekty, takie jak czarne dziury i gwiazdy neutronowe, krążą wokół siebie i łączą się.

Łączenie się supermasywnych czarnych dziur będzie znacznie trudniej wykryć, niż te o masach gwiazdowych. Jednym z powodów, dla których naziemne obserwatoria nie są w stanie wykrywać fale grawitacyjne z takich zdarzeń, jest fakt, że sama Ziemia jest zbyt głośna, doświadczana wstrząsami sejsmicznymi i zmianami grawitacyjnymi spowodowanymi zakłóceniami atmosferycznymi. Detektory muszą znajdować się w przestrzeni kosmicznej (np. LISA, której start planowany jest na lata ‘30. bieżącego stulecia). Obserwatoria monitorujące zbiory szybko rotujących, bardzo gęstych gwiazd, zwanych pulsarami, mogą wykrywać fale grawitacyjne pochodzące od łączących się potworów. Podobnie, jak latarnie morskie, pulsary emitują regularnie taktowane wiązki promieniowania, które pojawiają się i znikają w trakcie rotacji. Fale grawitacyjne mogą powodować niewielkie zmiany w czasie tych błysków, ale jak dotąd badania nie doprowadziły do ich wykrycia.

Ale dwie supermasywne czarne dziury zbliżające się do kolizji mogą mieć coś, czego brakuje czarnym dziurom o masach gwiazdowych w układach podwójnych – środowisko bogate w gaz. Naukowcy podejrzewają, że eksplozja supernowej, która wytworzy czarną dziurę o masie gwiazdowej, również wydmuchuje większość otaczającego ją gazu. Czarna dziura pochłania to, co pozostało tak szybko, że gdy dojdzie do fuzji, nie ma co świecić.

Z drugiej strony układy podwójne supermasywnych czarnych dziur powstają w wyniku łączenia się galaktyk. Naukowcy sądzą, że kolizja galaktyk napędza wiele materii w kierunku centralnych czarnych dziur, które pochłaniają ją w skali czasowej podobnej do tej, jaka jest potrzebna do połączenia się dwóch czarnych dziur. Gdy czarne dziury zbliżają się do siebie, siły magnetyczne i grawitacyjne ogrzewają pozostały gaz, wytwarzając promieniowanie, które astronomowie powinni widzieć.

Modelowanie takich zdarzeń wymaga wyrafinowanych narzędzi obliczeniowych, które obejmują wszystkie efekty fizyczne wytwarzane przez dwie supermasywne czarne dziury okrążające się wzajemnie z ułamkiem prędkości światła. Wiedząc, jakich sygnałów promieniowania można oczekiwać z tych zdarzeń, astronomowie będą wiedzieli, co obserwować. Modelowanie i obserwacje będą współdziałać, pomagając naukowcom lepiej zrozumieć, co dzieje się w sercach większości galaktyk.

Nowa symulacja pokazuje orbity trzech par supermasywnych czarnych dziur na zaledwie 40 okrążeń przed ich połączeniem się. Modele ujawniają, że promieniowanie emitowane na tym etapie procesu może być zdominowane przez UV z wysokoenergetycznym promieniowaniem rentgenowskim, podobne do tego, co widać w każdej galaktyce z dobrze odżywioną supermasywną czarną dziurą.

Trzy regiony emitują gazową poświatę z łączących się czarnych dziur, połączone strumieniami gorącego gazu: duży pierścień otaczający cały układ, oraz dwa mniejsze otaczające każdą z czarnych dziur osobno (zwane mini dyskami). Wszystkie te obiekty emitują głównie promieniowanie UV. Gdy gaz wpada na taki mini dysk z dużą prędkością, promieniowanie UV dysku oddziałuje z każdą koroną czarnej dziury, regionem wysokoenergetycznych cząstek subatomowych powyżej i poniżej dysku. Interakcja ta wytwarza promieniowanie rentgenowskie. Kiedy współczynnik akrecji jest niższy, promieniowanie UV przygasa w stosunku do promieniowania X.

Sposób, w jaki obydwie czarne dziury uginają promieniowanie, wywołuje złożone efekty soczewkowania, gdy jedna czarna dziura przechodzi przed drugą. Niespodzianką okazały się niektóre egzotyczne cechy, takie jak cienie w kształcie brwi, jakie niekiedy tworzy jedna czarna dziura w pobliżu drugiej.

Symulacja została przeprowadzona na superkomputerze Blue Waters. Modelowanie trzech orbit układów trwało 46 dni i zostało wykonane na 9600 rdzeniach. Naukowcy otrzymali ostatnio dodatkowy czas na Blue Waters, aby mogli kontynuować rozwój swoich modeli.

Oryginalna symulacja oszacowała temperatury gazu. Zespół planuje udoskonalić swój kod, aby modelować, w jaki sposób zmieniają się parametry układu, takie jak temperatura, odległość, masa całkowita i współczynnik przyrostu, które będą miały wpływ na emitowane promieniowanie. Są zainteresowani tym, co dzieje się z gazem przemieszczającym się między dwiema czarnymi dziurami, a także modelowaniem w dłuższym przedziale czasu.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Więcej:
New Simulation Sheds Light on Spiraling Supermassive Black Holes

Źródło: NASA

Na ilustracji: Animacja przedstawia zbliżające się do siebie supermasywne czarne dziur. Źródło: Goddard Space Flight Center NASA