Neue Forschungen im Zuge der Gravitationswellenentdeckungen werfen Licht auf die Umgebungen, die zu Verschmelzungen von Schwarzen Löchern führen könnten. Die Arbeit wird diese Woche im präsentiert Nationales Astronomietreffen 2023 von Ph.D. Student an der Universität Oxford, Connar Rowan.
Die ersten Gravitationswellen, die erstmals 1916 von Albert Einstein vorhergesagt wurden, wurden 2015 von der Erde aus entdeckt. Die Bestimmung ihres Ursprungs im Kosmos war jedoch eine offene Frage. Damit die von uns beobachteten Gravitationswellen über so große Entfernungen nachweisbar sind, können sie nur von Paaren großer, sehr dichter Objekte in unmittelbarer Nähe zueinander stammen, etwa von Schwarzen Löchern oder Neutronenstern-Doppelsternen. Mittlerweile gab es über 90 solcher Entdeckungen, doch die primäre astrophysikalische Umgebung, die es diesen Objekten ermöglicht, nahe genug zu kommen, um Gravitationswellen auszusenden, bleibt ein Rätsel.
Eine mögliche Umgebung, in der Schwarze Löcher häufig verschmelzen, sind Quasare. Ein Quasar ist ein mächtiger aktiver galaktischer Kern, der von einem supermassiven Schwarzen Loch angetrieben wird. Eine dichte Gasscheibe wirbelt mit nahezu Lichtgeschwindigkeit um ein supermassereiches Schwarzes Loch, was zu extrem hellen Emissionen führt.
Die Wechselwirkungen von Schwarzen Löchern mit Sternmasse und der Gasscheibe eines supermassereichen Schwarzen Lochs sind äußerst komplex und erfordern ausgefeilte Computersimulationen, um sie zu verstehen. In der neuen Forschung untersuchte das Team von Astronomen der Universität Oxford und der Columbia University das Verhalten solcher in Scheiben eingebetteten Schwarzen Löcher mit Sternmasse. Die Arbeit legt nahe, dass Schwarze Löcher mit stellarer Masse durch gravitative Wechselwirkungen untereinander und mit dem Gas in den Scheiben in dichte Gasscheiben von Quasaren gezogen und in binäre Systeme gezwungen werden könnten.
Das Team hat hochauflösende Simulationen der Gasscheibe eines Quasars durchgeführt, der zwei Schwarze Löcher mit Sternmasse enthält. Ziel der Simulation ist es herauszufinden, ob die Schwarzen Löcher in einem gravitativ gebundenen Doppelsystem gefangen werden und möglicherweise zu einem späteren Zeitpunkt innerhalb der Gasscheibe verschmelzen. Diese Simulationen verwenden 25 Millionen Gaspartikel, um die komplexen Gasströme während der Begegnung nachzuahmen, was eine Rechenlaufzeit von etwa drei Monaten für jede Simulation erfordert.
Die Simulationen zeigen, dass das Gas die Geschwindigkeit der Schwarzen Löcher während der Begegnung verringert, sodass Schwarze Löcher, die normalerweise einfach auseinanderfliegen würden, gravitativ gebunden bleiben und in einer Umlaufbahn umeinander gefangen bleiben, während sie wiederum das supermassereiche Schwarze Loch umkreisen. Dies geschieht durch eine Mischung aus Gravitationskräften zwischen ihnen und den massiven Gasströmen in der Scheibe und einzelnen „Mini“-Scheiben um die einzelnen Schwarzen Löcher.
Darüber hinaus spielt auch der direkte Gaswiderstand analog zum Luftwiderstand eine Rolle, wenn das von den Schwarzen Löchern auf ihrem Weg „gefressene“ Gas sie zum Abbremsen zwingt. Als Reaktion auf die Absorption der kinetischen Energie des Schwarzen Lochs durch Gravitationswechselwirkung wird das Gas unmittelbar nach der Begegnung heftig ausgestoßen. Dieses Ergebnis tritt in den meisten Simulationen auf und bestätigt die früheren Erwartungen, dass Gas das Einfangen von Schwarzen Löchern in gebundenen Paaren erheblich erleichtert.
Es wurde auch festgestellt, dass die Umlaufrichtung der Schwarzen Löcher ihre Entwicklung beeinflusste. In der Hälfte der retrograden Doppelsternsysteme – Doppelsternsysteme, in denen die Schwarzen Löcher einander in entgegengesetzter Richtung zu ihrer Umlaufbahn um das supermassereiche Schwarze Loch umkreisen – könnten die Schwarzen Löcher nahe genug herankommen, um erhebliche Gravitationswellen zu erzeugen und ihre Umlaufenergie über diese Wellen sehr schnell abzuleiten Emissionen, die sehr abrupt ineinander übergehen.
Forschungsleiter Rowan sagt: „Diese Simulationen befassen sich mit zwei Hauptfragen: Kann Gas die Bildung von Schwarzen-Loch-Binärsystemen katalysieren, und wenn ja, können sie letztendlich noch näher zusammenrücken und verschmelzen? Damit dieser Prozess den Ursprung der beobachteten Gravitationswellensignale erklärt, sind beide Antworten erforderlich.“ ja sein.“
„Diese Ergebnisse sind unglaublich aufregend, da sie bestätigen, dass Verschmelzungen von Schwarzen Löchern in supermassiven Schwarzen-Loch-Scheiben stattfinden können, und möglicherweise viele oder vielleicht die meisten der Gravitationswellensignale erklären, die wir heute beobachten“, sagte Professor Bence Kocsis, Mitautor der Forschungsarbeit .
„Wenn ein beträchtlicher Teil der heute oder in der Zukunft beobachteten Ereignisse durch dieses Phänomen verursacht wird, sollten wir einen direkten Zusammenhang zwischen Quasaren und Gravitationswellenquellen am Himmel erkennen können“, fügt Professor Zoltán Haiman von der Columbia University hinzu , ein weiterer Co-Autor der Forschungsarbeit.