Yeni simülasyon teknolojisini kullanan bilim insanları, Samanyolu benzeri galaksilerde birleşen devasa kara deliklerin varlığını tahmin ederek yerleşik teorilere meydan okuyor. Yukarıda, birleşmeden önce (bilgisayar tarafından oluşturulan) yıldız doğum yerinin önünde görüntülenen 31,5 güneş kütleli bir kara delik ve 8,38 güneş kütleli bir kara delik arkadaşı bulunmaktadır. Katkıda bulunanlar: Aaron M. Geller / Kuzeybatı CIERA ve NUIT-RCS; ESO / S. Brunier
UNIGE, Northwestern Üniversitesi ve Florida Üniversitesi’nden araştırmacılar, gelişmiş simülasyon teknolojisini kullanarak bu göksel “canavarların” esrarengiz doğasına ışık tuttu.
Evrenin en büyüleyici olaylarından biri olan kara delikler, ışığın bile kurtulamayacağı kadar yoğun bir çekim kuvvetine sahiptir. Çığır açan tespit yerçekimi dalgaları 2015 yılında iki kara deliğin birleşmesinden kaynaklanan evrene yeni bir pencere açıldı. Bu açıklama o zamandan beri bir dizi bulguyu ateşledi ve astrofizikçileri bunların kökenlerini daha derinlemesine araştırmaya itti.
sayesinde POSİDON Code’un ikili yıldız popülasyonlarını simüle etmedeki son büyük ilerlemeleri ışığında, aralarında Cenevre Üniversitesi (UNIGE), Northwestern Üniversitesi ve Florida Üniversitesi’nin (UF) de bulunduğu bir bilim insanı ekibi, 30 Güneş kütlesine sahip devasa bir birleşmenin varlığını öngördü. Kara delik ikili dosyalar Samanyolu-galaksiler gibi, önceki teorilere meydan okuyor. Bulgular yakın zamanda dergide yayınlandı Doğa Astronomi.
Yıldız kütleli kara delikler, güneşimizin kütlesinin birkaç ila yüzlerce katı kadar kütleye sahip yıldızların çöküşünden doğan gök cisimleridir. Yerçekimi alanları o kadar yoğun ki ne madde ne de radyasyon onlardan kaçamıyor, bu da tespit edilmelerini son derece zorlaştırıyor. Bu nedenle, 2015 yılında iki kara deliğin birleşmesiyle uzay-zamanda oluşan küçük dalgalanmalar Lazer Girişimölçer Yerçekimi Dalgası Gözlemevi tarafından tespit edildiğinde (LİGO), bir dönüm noktası anı olarak selamlandı. Astrofizikçilere göre sinyalin kaynağında birleşen iki kara delik, Güneş’in kütlesinin yaklaşık 30 katı büyüklüğündeydi ve 1,5 milyar ışıkyılı uzaklıkta bulunuyordu.
Köprü Kuramı ve Gözlem
Bu kara delikleri hangi mekanizmalar üretiyor? Bunlar, bizim güneşimize benzeyen ama çok daha büyük kütleli, ikili bir sistem içinde gelişen iki yıldızın evriminin ürünü mü? Yoksa yoğun nüfuslu yıldız kümelerindeki kara deliklerin tesadüfen çarpışmasından mı kaynaklanıyorlar? Yoksa daha egzotik bir mekanizma söz konusu olabilir mi? Bütün bu sorular bugün hâlâ hararetle tartışılıyor.
POSYDON işbirliği, Cenevre Üniversitesi (UNIGE), Northwestern ve Florida üniversitesi (UF), ikili yıldız popülasyonlarını simüle etmede önemli ilerlemeler kaydetti. Bu çalışma, daha doğru cevaplar sağlamaya ve teorik tahminleri gözlemsel verilerle uzlaştırmaya yardımcı oluyor.
“Birleşen ikili kara deliklerin oluşumunu doğrudan gözlemlemek imkansız olduğundan, onların gözlemsel özelliklerini yeniden üreten simülasyonlara güvenmek gerekiyor. UNIGE Fen Fakültesi Astronomi Bölümü’nde doktora sonrası araştırmacı ve bu çalışmanın baş yazarı Simone Bavera, “Bunu, ikili yıldız sistemlerini doğumlarından ikili kara delik sistemlerinin oluşumuna kadar simüle ederek yapıyoruz” diye açıklıyor. .
Simülasyonun Sınırlarını Zorlamak
2015’te gözlemlenenler gibi, birleşen ikili kara deliklerin kökenlerini yorumlamak, teorik model tahminlerinin gerçek gözlemlerle karşılaştırılmasını gerektirir. Bu sistemleri modellemek için kullanılan teknik “ikili popülasyon sentezi” olarak bilinir.
“Bu teknik, ortaya çıkan kütleçekim dalgası kaynağı popülasyonunun istatistiksel özelliklerini tahmin etmek için on milyonlarca ikili yıldız sisteminin evrimini simüle ediyor. Ancak bunu makul bir zaman diliminde gerçekleştirmek için araştırmacılar şimdiye kadar yıldızların evrimini ve ikili etkileşimlerini simüle etmek için yaklaşık yöntemler kullanan modellere güvendiler. Bu nedenle, tek ve ikili yıldız fiziğinin aşırı basitleştirilmesi daha az doğru tahminlere yol açmaktadır,” diye açıklıyor UNIGE Fen Fakültesi Astronomi Bölümü’nde yardımcı doçent Anastasios Fragkos.
POSYDON bu sınırlamaların üstesinden gelmiştir. Açık kaynaklı bir yazılım olarak tasarlanan bu yazılım, yalıtılmış ikili sistemlerin evrimini tahmin etmek için önceden hesaplanmış, ayrıntılı tek ve ikili yıldız simülasyonlarından oluşan geniş bir kitaplıktan yararlanır. Bu ayrıntılı simülasyonların her birinin bir süper bilgisayarda çalıştırılması 100 CPU saatine kadar sürebilir, bu da bu simülasyon tekniğini ikili popülasyon sentezi için doğrudan uygulanamaz hale getirir.
“Ancak, başlangıç koşullarının tüm parametre uzayını kapsayan bir simülasyon kütüphanesini önceden hesaplayarak POSYDON, bu kapsamlı veri setini aşağıdakilerle birlikte kullanabilir: makine öğrenme İkili sistemlerin tüm evrimini bir saniyeden daha kısa sürede tahmin edecek yöntemler. Bu hız, önceki nesil hızlı popülasyon sentezi kodlarıyla karşılaştırılabilir ancak daha gelişmiş hızlara sahiptir. kesinlik” diye açıklıyor UF Fizik Bölümü’nde yardımcı doçent olan Jeffrey Andrews.
Yeni Bir Modelle Tanışıyoruz
“POSYDON’dan önceki modeller, Samanyolu’na benzer galaksilerde birleşen ikili kara deliklerin ihmal edilebilir bir oluşum oranını tahmin ediyordu ve özellikle güneşimizin kütlesinin 30 katı kadar büyük birleşen kara deliklerin varlığını tahmin etmiyorlardı. POSYDON, Samanyolu benzeri galaksilerde bu tür devasa kara deliklerin var olabileceğini gösterdi,” diye açıklıyor Daniel I. Linzer Seçkin Üniversitesi Fizik ve Astronomi Profesörü, Northwestern Fizik ve Astronomi Bölümü, Disiplinlerarası Bilimler Merkezi direktörü Vicky Kalogera Astrofizikte Keşif ve Araştırma (CIERA) ve bu çalışmanın ortak yazarı.
Önceki modeller, büyük kütleli yıldızların kütle kaybını ve ikili etkileşimleri etkileyen genişlemesi gibi bazı hususları olduğundan fazla tahmin ediyordu. Bu elementler, kara deliklerin birleşmesinin özelliklerini belirleyen temel bileşenlerdir. Tamamen kendi kendine tutarlı, ayrıntılı yıldız yapısı ve ikili etkileşim simülasyonları sayesinde POSYDON, kütleleri ve dönüşleri gibi ikili kara delik özelliklerinin birleştirilmesine ilişkin daha doğru tahminler elde eder.
Bu çalışma, birleşen ikili kara delikleri araştırmak için yeni çıkan açık kaynaklı POSYDON yazılımını kullanan ilk çalışmadır. Bizimki gibi galaksilerdeki kara deliklerin birleşmesinin oluşum mekanizmalarına yeni bakış açıları sağlıyor. Araştırma ekibi şu anda POSYDON’un yeni bir versiyonunu geliştiriyor; bu sürüm, daha geniş bir yelpazedeki galaksi türlerindeki ikilileri simüle edebilen, ayrıntılı yıldız ve ikili simülasyonlardan oluşan daha geniş bir kütüphaneyi içerecek.
Referans: “30 M’nin ötesinde kütlelerle birleşen kara deliklerin oluşumu⊙at solar metalikity” Yazan: Simone S. Bavera, Tassos Fragos, Emmanouil Zapartas, Jeff J. Andrews, Vicky Kalogera, Christopher PL Berry, Matthias Kruckow, Aaron Dotter, Konstantinos Kovlakas, Devina Misra, Kyle A. Rocha, Philipp M. Srivastava, Meng Sun ve Zepei Xing, 29 Haziran 2023, Doğa Astronomi.
DOI: 10.1038/s41550-023-02018-5