Galaksilerin merkezlerindeki kara delik bilardoları kara delik birleşmelerini açıklayabilir

Araştırmacılar, bugüne kadar yerçekimi dalgaları tarafından gözlemlenen en büyük kara delik çiftlerinden birinin neden dairesel olmayan bir yörüngede birleştiğine dair ilk akla yatkın açıklamayı yaptılar. Önerilen çözüm, şimdi yayınlandı Doğabaşka bir galaksideki süper kütleli bir kara deliğin etrafındaki dev bir gaz diski içinde kaotik bir üçlü drama içerir.

Kara delikler, evrendeki en büyüleyici nesnelerden biridir, ancak bunlarla ilgili bilgimiz hala sınırlıdır – özellikle de ışık yaymadıkları için. Birkaç yıl öncesine kadar, Lazer İnterferometre Yerçekimi Dalgası Gözlemevi (LIGO) 2015 yılında iki kara deliğin birleşmesinden kaynaklanan yerçekimi dalgalarını çığır açan gözlemini yapana kadar, ışık, evrenimiz ve kara delikleri hakkında temel bilgi kaynağımızdı.

“Fakat bu tür kara delikler evrenimizde nasıl ve nerede oluşur ve birleşir? Yakındaki yıldızlar çöktüğünde ve her ikisi de karadeliğe dönüştüğünde mi olur, yıldız kümelerinde yakın tesadüfi karşılaşmalar yoluyla mı yoksa başka bir şey mi? Kopenhag Üniversitesi’ndeki Niels Bohr Enstitüsü’nden yardımcı doçent Johan Samsing, makalenin baş yazarı, Yerçekimi Dalgası Astrofiziğinin yeni çağındaki kilit sorular” diyor.

O ve işbirlikçileri, astrofizikçilerin son birkaç yıldır mücadele ettiği bir gizemin son bölümünü muhtemelen çözen bulmacaya yeni bir parça sağlamış olabilirler.

2019’da beklenmedik keşif

Gizem, LIGO ve Virgo gözlemevleri tarafından beklenmedik bir yerçekimi dalgaları keşfinin yapıldığı 2019 yılına kadar uzanıyor. GW190521 olarak adlandırılan olayın, yalnızca önceden fiziksel olarak mümkün olduğu düşünülenden daha ağır olmakla kalmayıp aynı zamanda bir ışık parlaması da üretmiş olan iki kara deliğin birleşmesi olduğu anlaşılıyor.

O zamandan beri bu iki özellik için olası açıklamalar sağlandı, ancak yerçekimi dalgaları bu olayın üçüncü bir şaşırtıcı özelliğini de ortaya çıkardı – yani karadeliklerin birleşmeden önceki anlarda bir daire boyunca birbirlerinin yörüngesinde dönmedikleri.

Ortak yazar, “GW190521 yerçekimi dalgası olayı, bugüne kadarki en şaşırtıcı keşiftir. Kara deliklerin kütleleri ve dönüşleri zaten şaşırtıcıydı, ancak daha da şaşırtıcı olanı, birleşmeye yol açan dairesel bir yörüngeye sahip olmadıklarıydı” diyor. Imre Bartos, Florida Üniversitesi’nde profesör.

Fakat dairesel olmayan bir yörünge neden bu kadar olağandışı ve beklenmedik?

“Bunun nedeni, yayılan yerçekimi dalgalarının temel doğasıdır; bu, karadelik çiftini yalnızca sonunda birleşmeleri için yakınlaştırmakla kalmaz, aynı zamanda yörüngelerini dairesel hale getirir.” Columbia Üniversitesi’nde profesör olan ortak yazar Zoltan Haiman’ı açıklıyor.

Bu gözlem, Kopenhag’daki Johan Samsing de dahil olmak üzere dünya çapında birçok insanı meraklandırdı.

Samsing, “Bu tür dairesel olmayan (“eksantrik” olarak bilinir) birleşmelerin, gözlemin önerdiği gibi şaşırtıcı derecede yüksek olasılıkla nasıl gerçekleşebileceğini düşünmeye başlamamı sağladı” diyor.

Tango için üç kişi gerekir

Olası bir yanıt, güneş kütlesinin milyonlarca katı büyüklüğünde dev bir kara delik barındıran ve düz, dönen bir gaz diski ile çevrili galaksilerin merkezlerindeki zorlu ortamda bulunabilir.

Oxford Üniversitesi’nden ortak yazar profesör Bence Kocsis, “Bu ortamlarda kara deliklerin tipik hızı ve yoğunluğu o kadar yüksektir ki, dev bir bilardo oyununda olduğu gibi daha küçük kara delikler etrafta zıplar ve geniş dairesel ikili dosyalar var olamaz” diyor.

Ancak grubun daha da ileri sürdüğü gibi, dev bir kara delik yeterli değil.

“Yeni araştırmalar, gaz diskinin, zamanla merkeze ve birbirlerine daha da yakınlaşan daha küçük karadeliklerin yakalanmasında önemli bir rol oynadığını gösteriyor. Bu, onların sadece buluşup çiftler oluşturduklarını değil, aynı zamanda böyle bir çiftin, kara deliklerin bir araya gelebileceğini de gösteriyor. başka bir üçüncü kara delik ile etkileşime girerek, genellikle etrafta uçan üç kara delik ile kaotik bir tangoya yol açar, ” diye açıklıyor Tohoku Üniversitesi’nden astrofizikçi Hiromichi Tagawa, çalışmanın ortak yazarı.

Bununla birlikte, GW190521’in gözlemlenmesine kadar önceki tüm çalışmalar, eksantrik kara delik birleşmelerinin nispeten nadir olduğunu gösterdi. Bu doğal olarak şu soruyu gündeme getiriyor: Neden zaten olağandışı olan kütleçekimsel dalga kaynağı GW190521 aynı zamanda eksantrik bir yörüngede birleşti?

İki boyutlu kara delik bilardo

Şimdiye kadar hesaplanan her şey, şimdiye kadar düşünülen yıldız sistemlerinin çoğunda beklendiği gibi, kara delik etkileşimlerinin üç boyutta gerçekleştiği fikrine dayanıyordu.

“Ama sonra kara delik etkileşimleri bunun yerine iki boyutlu bir ortama daha yakın olan düz bir diskte gerçekleşirse ne olacağını düşünmeye başladık. Şaşırtıcı bir şekilde, bu sınırda eksantrik bir birleşme oluşturma olasılığını bulduk. 100 kat kadar artar, bu da bu tür disklerdeki tüm kara delik birleşmelerinin yaklaşık yarısının muhtemelen eksantrik olmasına yol açar,” diyor Johan Samsing ve şöyle devam ediyor:

“Ve bu keşif, 2019’daki gözlemle inanılmaz derecede iyi uyuyor; bu, şimdi hepsi, bu kaynağın aksi takdirde muhteşem özelliklerinin, süper kütleli bir kara deliği çevreleyen düz bir gaz diskinde yaratılmışsa, yine o kadar garip olmadığını gösteriyor. bir galaktik çekirdekte.”

Bu olası çözüm, mekanikte asırlık bir soruna da katkıda bulunur,

“Üç nesne arasındaki etkileşim, hem Newton’un hem de benim ve diğerlerinin yoğun bir şekilde üzerinde çalıştığı fizikteki en eski problemlerden biridir. Bu, karadeliklerin günümüzün en uç noktalarından bazılarında nasıl birleştiği konusunda artık çok önemli bir rol oynuyor gibi görünüyor. Evren inanılmaz derecede büyüleyici “, diyor ortak yazar Nathan W. Leigh, Universidad de Concepción, Şili’de profesör.

Gaz disklerindeki kara delikler

Gaz diski teorisi, diğer araştırmacıların GW190521’in diğer iki şaşırtıcı özelliğine ilişkin açıklamalarına da uyuyor. Kara deliğin büyük kütlelerine diskin içindeki ardışık birleşmelerle ulaşılırken, ışık emisyonu ortamdaki gazdan kaynaklanabilir.

Düz, iki boyutlu disklerde birleşen karadeliklerden yayılan sinyallerde, üç boyutlu yıldız sistemlerinde sıklıkla göz önünde bulundurduğumuz sinyallere kıyasla çok büyük bir fark olabileceğini gösterdik. kara deliklerin nasıl oluştuğunu ve evrenimizde nasıl birleştiğini öğrenmek için kullanabileceğimiz bir araç” diyor Samsing.

Ancak bu çalışma sadece başlangıçtır.

“İnsanlar yıllardır bu tür gaz disklerinin yapısını anlamak için çalışıyorlar, ancak sorun zor. Sonuçlarımız diskin ne kadar düz olduğuna ve kara deliklerin içinde nasıl hareket ettiğine duyarlı. GW190521’e benzer daha olağandışı durumlar da dahil olmak üzere daha büyük bir kara delik birleşme popülasyonumuz olduğunda bu diskler hakkında daha fazla bilgi edinin.Bunu etkinleştirmek için, şu anda yayınlanan keşfimizi geliştirmeli ve bu yeni ve heyecan verici alanda bizi nereye götürdüğünü görmeliyiz. ,” ortak yazar Zoltan Haiman sonucuna varıyor.