У фебруару 2016. научници који раде за опсерваторију гравитационих таласа Ласер Интерферометар (ЛИГО) ушли су у историју када су најавили прво откривање гравитационих таласа. Ово откриће није само потврдило вековну предвиђање Аинстеинове теорије опште релативности, већ је и потврдило постојање звјезданих бинарних црних рупа - које су се прво спојиле да би произвеле сигнал.
И сада, међународни тим на челу са астрофизичаром МИТ-а Царлом Родригуезом произвео је студију која сугерише да се црне рупе могу спојити више пута. Према њиховој студији, та „спајања друге генерације“ вероватно се јављају унутар глобуларних кластера, великих и компактних звездастих кластера који обично орбитирају на ивицама галаксија - а који су густо препуни стотина хиљада до милиона звезда.
Студија под називом "Пост-невтонска динамика у густим звездастим кластерима: високо ексцентрична, високо вртећа и понављана спајања бинарних црних рупа", недавно се појавила у часопису Писма о физичком прегледу. Студију је водио Царл Родригуез, колега Паппалардо из МИТ-овог одсека за физику и Кавли института за астрофизика и свемирска истраживања, а обухватио је чланове Института за свемирске науке и Центра за интердисциплинарно истраживање и истраживање астрофизике (ЦИЕРА).
Као што је Царл Родригуез објаснио у недавном саопштењу за штампу МИТ:
„Мислимо да су се ови гроздови формирали са стотинама до хиљадама црних рупа које су се брзо потонуле у центру. Ове врсте кластера су у основи фабрике за бинарне датотеке црних рупа, где имате толико црних рупа које се висе у малом простору простора да би се две црне рупе могле спојити и произвести масивнију црну рупу. Тада та нова црна рупа може наћи другог пратиоца и поново се спојити. "
Глобуларни кластери су били извор фасцинације још од тренутка када су их астрономи први пут приметили у 17. веку. Ове сферне колекције звезда спадају у најстарије познате звезде у Универзуму и могу се пронаћи у већини галаксија. У зависности од величине и типа галаксије којом орбитирају, број кластера варира, а елиптичне галаксије имају десетине хиљада, док галаксије попут Млечног пута имају преко 150.
Годинама Родригуез истражује понашање црних рупа у глобуларним кластерима како би утврдио да ли они комуницирају са својим звијездама другачије од црних рупа које заузимају мање густо насељене регије у простору. Да би тестирали ову хипотезу, Родригуез и његове колеге користили су суперкомпјутер Куест са Универзитета Нортхвестерн да би извршили симулације на 24 звјездане групе.
Ти се гроздови кретали у величини од 200.000 до 2 милиона звезда и прекривали су низ различитих густина и металних састава. Симулације су моделирале еволуцију појединих звезда унутар ових кластера током 12 милијарди година. Овај временски распон био је довољан да прати ове звезде док су међусобно деловале и на крају формирале црне рупе.
Симулације су такође моделирале еволуцију и путање црних рупа након што су се формирале. Као што је Родригуез објаснио:
„Сјајна ствар је у томе што су црне рупе најмасивнији предмети у овим кластерима, оне се спуштају у средиште где добијате довољно високу густину црних рупа да формирају бинарне датотеке. Бинарне црне рупе у основи су попут џиновских мета које се висе у грозду, а док бацате друге црне рупе или звезде на њих, пролазе кроз ове луде хаотичне сусрете. "
Док су се претходне симулације базирале на Њутоновој физици, тим је одлучио да дода Еинстеинове релативистичке ефекте у своје симулације глобуларних кластера. То је због чињенице да гравитационе таласе нису предвидјеле Њутонове теорије, већ Еинстеинова теорија опште релативности. Као што је Родригуез назначио, ово им је омогућило да виде како гравитациони таласи играју улогу:
„Оно што су људи радили у прошлости било је третирати ово као чисто невтонски проблем. Њутонова теорија гравитације делује у 99,9 одсто свих случајева. Неколико случајева у којима то не функционише може бити када имате две црне рупе које звиждају уско, што се обично не догађа у већини галаксија ... У Еинстеиновој теорији опште релативности, где могу да емитујем гравитационе таласе када једна црна рупа прође близу друге, она заправо може емитирати малени пулс гравитационих таласа. То може одузети довољно енергије из система да се две црне рупе заправо вежу, а затим ће се брзо спојити. "
Оно што су приметили је да се унутар звјезданих гроздова, црне рупе спајају једна с другом и стварају нове црне рупе. У претходним симулацијама, невтонска гравитација предвиђала је да ће већина бинарних црних рупа бити избачена из кластера пре него што се споје. Али узимајући у обзир релативистичке ефекте, Родригуез и његов тим открили су да се скоро половина бинарних црних рупа спојила у масовније.
Као што је Родригуез објаснио, разлика између оних који су се спојили и оних који су избачени смањила се:
„Ако се две црне рупе окрећу када се стапају, црна рупа коју стварају ће емитирати гравитационе таласе у једном жељеном правцу, попут ракете, стварајући нову црну рупу која може пуцати брзином до 5.000 километара у секунди - тако, лудо брзо. За излазак из једног од ових гроздова потребно је само неколико стотина до стотину километара у секунди. "
Ово је створило још једну занимљиву чињеницу о претходним симулацијама, где су астрономи веровали да ће производ било којег спајања црних рупа бити избачен из кластера, јер се претпоставља да се већина црних рупа брзо врти. Међутим, изгледа да су мерења гравитационог таласа недавно добијена из ЛИГО-а у супротности с тим, што је само открило спајање бинарних црних рупа са малим окретима.
Чини се да се ова претпоставка противи мерењима из ЛИГО-а, који је до сада детектовао само бинарне црне рупе са малим окретима. Да би тестирали импликације тога, Родригуез и његове колеге смањили су брзину центрифуге црних рупа у својим симулацијама. Открили су да скоро 20% бинарних црних рупа из кластера има бар једну црну рупу која се креће од 50 до 130 соларних маса.
У суштини, ово је указивало да су то црне рупе „друге генерације“, јер научници верују да се та маса не може постићи црном рупом која је настала од једне звезде. Гледајући унапред, Родригуез и његов тим предвиђају да ако ЛИГО открије објект са масом унутар овог распона, то је вероватно резултат црних рупа које се спајају у густом звјезданом кластеру, а не из једне звијезде.
"Ако чекамо довољно дуго, тада ћемо на крају ЛИГО видети нешто што би могло доћи само из тих звезда, јер то би било веће од свега што бисте могли добити од једне звезде", каже Родригуез. „Моји коаутори и ја се кладимо против неколицине људи који проучавају формирање бинарних звезда да ће унутар првих 100 ЛИГО детекција ЛИГО открити нешто унутар овог горњег масеног јаза. Добивам лепу боцу вина ако се то деси. "
Откривање гравитационих таласа било је историјско достигнуће, а оно је омогућило астрономима да спроведу нова и узбудљива истраживања. Већ научници добијају нови увид у црне рупе проучавањем нуспродукта њихових спајања. У наредним годинама можемо очекивати да ћемо научити много више захваљујући побољшању метода и повећаној сарадњи између опсерваторија.
