Here Be Monsters: Study Identificeert de waarschijnlijke locatie van het samenvoegen van Black Hole Giants

Wetenschappers die op zoek zijn naar botsende zwarte gaten, moeten hun ogen richten op de stille buitenste regionen van sterrenstelsels zoals de Melkweg, suggereert een nieuwe studie.

Eind 2015 maakten onderzoekers de allereerste directe detectie van gravitatiegolven - rimpelingen in de universele structuur die bekend staat als ruimte-tijd. Astronomen hebben nu vier afzonderlijke zwaartekrachtsignalen gedetecteerd die afkomstig zijn van paren van zwarte gaten die botsen en samenvloeien. De fusie van zwarte gaten van deze omvang - ongeveer 20 tot 50 keer de massa van de zon - was nog nooit eerder rechtstreeks in de natuur waargenomen.

Helaas hebben gravitatiegolfdetectoren het moeilijk om zich te beperken waar die samengevoegde zwarte gaten zich bevinden. Dit maakt het moeilijk voor wetenschappers om vervolgstudies te doen, of om te zoeken naar mogelijke lichtbronnen rond de zwarte gaten. [No Escape: Duik in een zwart gat (Infographic)]

Eerder werk had gesuggereerd dat paren van zwarte gaten in dit massabereik meer kans hebben zich te vormen in dwergstelsels met dwerggroei. Maar de nieuwe studie laat zien dat de stille buitenste regionen van grotere, spiraalvormige sterrenstelsels - zoals onze eigen Melkweg - wellicht betere plekken zijn om te kijken.

"Als onze berekening correct is, is het voordeel dat als je het signaal probeert te lokaliseren, het een stuk makkelijker is om grote sterrenstelsels te vinden, toch? Dat is vrij voor de hand liggend," zei studieleider Sukanya Chakrabarti, hoogleraar natuurkunde en astronomie bij het Rochester Institute of Technology (RIT).

Het bepalen van de precieze locatie of thuismelkweg van deze zwart gatparen heeft meerdere voordelen voor astrofysica. Ten eerste zou het de kans vergroten dat je lichtsignalen ziet ontstaan ​​door het samenvoegen van twee zwarte gaten. Terwijl de zwarte gaten zelf helemaal donker zijn, kan nabije materie (zoals een schijf van gas en stof die eromheen draait) licht uitstralen. Het bestuderen van dit licht zou wetenschappers meer informatie kunnen verschaffen over deze gebeurtenissen.

Bovendien willen wetenschappers zwaartekrachtgolven gebruiken om de expansiesnelheid van het universum te meten - een waarde die bekend staat als de Hubble-constante, genoemd naar de astronoom Edwin Hubble. Op dit moment zijn er twee manieren om deze waarde te meten, maar ze hebben iets andere waarden geproduceerd, en wetenschappers weten niet waarom. Metingen van zwaartekrachtsgolven kunnen de discrepantie oplossen.

"Het is de heilige graal van gravitationele golfkosmologie," vertelde Chakrabarti aan ProfoundSpace.org.

Geboortegrond van zwart gat

Zwarte gaten kunnen ontstaan ​​wanneer massieve sterren opraken en exploderen als supernova's. Veel van het materiaal waaruit de levende ster bestaat, stort in op een enkel punt en er vormt zich een zwart gat. Zwarte gaten met 10 tot 50 keer de massa van de zon moeten zich vormen van sterren met een massa tussen ongeveer 40 en 100 zonsmassa's, volgens wetenschappers met het Laser Interferometry Gravitational-Wave Observatory (LIGO) project, dat ruimte-tijd rimpelingen van de vier zwart gat mergers (evenals die ontstaan ​​door een ander soort evenement - de botsing van twee neutronensterren).

Dus waar worden deze massieve sterren geboren?

Om een ​​echt massieve ster te maken, heb je een heel eenvoudig uitgangsmengsel nodig dat bijna uitsluitend bestaat uit waterstof en helium. "Zwaardere" elementen (die met getallen hoger dan 2 op het periodiek systeem) kunnen de vorming van zeer zware sterren dempen. Dit gebeurt omdat die elementen meer intense straling afgeven in vergelijking met waterstof; die straling oefent een uitwaartse kracht uit die gas en ander materiaal weg duwt, zodat de ster niet meer materie verzamelt en groter wordt.

De heldere gebieden van grote sterrenstelsels - zoals de prachtige, wervelende armen van de Melkweg - staan ​​laag op de lijst van mogelijkheden, omdat ze zo rijk zijn aan zware elementen.

Maar bijna alle spiraalstelsels hebben een buitenste schijf die voornamelijk uit waterstof bestaat, zei Chakrabarti. Deze zogenaamde "H1-gebieden" hebben zeer lage totale stervormingssnelheden en zijn dus tamelijk zwak in vergelijking met de heldere centrale schijven. In het geval van de Melkweg is het H1-gebied ongeveer net zo dik als de hoofdschijf breed is - ongeveer 30 kiloparsecs of ongeveer 100.000 lichtjaar breed. In sommige sterrenstelsels die in de krant worden onderzocht, is de H1-schijf 80 kiloparsecs breed, vertelde Chakrabarti aan ProfoundSpace.org - voldoende ruimte voor massieve sterren om geboren te worden.

Twee soorten sterrenstelsels

Het nieuwe papier berekent de snelheid waarmee deze zware zwart gat botsingen waarschijnlijk optreden in deze H1-regio's. Ze vinden dat het aantal botsingen in een bepaald gebied, gedurende een bepaalde tijd, vergelijkbaar is, zo niet beter dan, voor dwergsterrenstelsels.

Dwergstelsels zijn kleine verzamelingen van sterren die meer lijken op sprankelende wolken dan heldere schijven van licht. Een doorzichtig papier toonde aan dat dwergstelsels deze zwarte gatenparen eerder zullen hosten dan grote spiraalstelsels zoals de Melkweg. Maar in die paper werd geen rekening gehouden met afzonderlijke regio's in die sterrenstelsels, zoals de H1-regio, vertelde Chakrabarti aan ProfoundSpace.org.

De vorige studie was co-auteur van Richard O'Shaughnessy, een assistent-professor in de wiskunde bij RIT en een lid van de LIGO-samenwerking - en een van de co-auteurs van Chakrabarti op de nieuwe krant. Chakrabarti zei dat ze met O'Shaughnessy had gepraat na de publicatie van het eerdere artikel, en vertelde hem dat hij regio's van sterrenstelsels moest beschouwen, en niet alleen sterrenstelsels als geheel.

"Dit is een nieuw veld," zei Chakrabarti, verwijzend naar de directe detectie van deze zwart gat fusies. "Onze paper is echt de derde die gekeken heeft naar de sterrenstelsels van binaire zwarte gaten, het is een soort nieuwe vraag, en het vereist de samenvloeiing van twee velden die enigszins verschillen."

De auteurs stellen in de krant dat hun numerieke schattingen voor botsingen met zwart gat in deze verschillende omgevingen niet erg nauwkeurig zijn, omdat er nog steeds zeer weinig gegevens zijn om mee te werken - tot nu toe slechts vier detecties van zwaartekrachtsignalen van zwarte gaten. Maar Chakrabarti zei dat de algemene conclusie is dat, als het gaat om zwarte gaten in dit massabereik, de H1-gebieden van deze sterrenstelsels net zo vruchtbaar zijn als dwergstelsels, of zelfs nog meer.

"Niemand heeft voorgesteld dat in feite binaire zwarte gaten zich overvloediger zouden kunnen vormen in de buitenwijken van grote sterrenstelsels zoals die van ons," zei Chakrabarti. "Zelfs rekening houdend met alle onzekerheden [in de berekende rente], denk ik dat het duidelijk is dat de buitenwijken van spiralen evenveel massieve binaire zwart gat-fusies zullen produceren als elke andere galactische omgeving."

De paper is nu beschikbaar op de open-source website arxiv.org en is geaccepteerd voor publicatie in het Astrophysical Journal.