„Mosh Pits“ in Sternhaufen sind wahrscheinliche Quelle der ersten Schwarzen Löcher von LIGO
Astrophysiker der Northwestern University haben die Geschichte vorhergesagt. In einer neuen Studie zeigen die Wissenschaftler, dass ihre theoretischen Vorhersagen vom letzten Jahr richtig waren: Die historische Verschmelzung zweier massiver Schwarzer Löcher, die am 14. September 2015 entdeckt wurde, könnte leicht durch dynamische Wechselwirkungen im sterndichten Kern eines alten Kugelsternhaufens entstanden sein .
Diese binären Schwarzen Löcher entstehen im chaotischen „Mosh Pit“ eines Kugelsternhaufens, werden aus dem Haufen geschleudert und verschmelzen dann schließlich zu einem Schwarzen Loch. Diese als dynamische Bildung bekannte Theorie ist einer von zwei anerkannten Hauptkanälen für die Bildung der binären Schwarzen Löcher, die vom Advanced LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) entdeckt wurden.
LIGOs erste Entdeckung verschmelzender Schwarzer Löcher stimmt perfekt mit dem dynamischen Entstehungsmodell des Northwestern-Forschungsteams überein und entspricht dem, was man von einem Kugelsternhaufen erwarten würde, sagen die Forscher.
Kollidierende Schwarze Löcher emittieren kein Licht; Allerdings setzen sie eine phänomenale Menge an Energie in Form von Gravitationswellen frei. Die erste Entdeckung dieser Wellen erfolgte am 14. September und die zweite – die heute Morgen der Welt bekannt gegeben wurde – erfolgte drei Monate später. Diese Ereignisse haben eine neue Ära in der Astronomie eingeläutet: die Nutzung von Gravitationswellen, um mehr über das Universum zu erfahren.
„Dank LIGO sind wir nicht mehr nur spekulierende Theoretiker – jetzt haben wir Daten“, sagte Frederic A. Rasio , theoretischer Astrophysiker am Northwestern und leitender Autor der Studie. „Ein relativ einfacher und gut verstandener Prozess scheint zu funktionieren. Einfache Erstsemesterphysik – Newtons erstes Bewegungsgesetz – erklärt die Gravitationsdynamik der ersten von LIGO entdeckten Schwarzen Löcher.“
Rasio wird heute (15. Juni) bei einem Medienbriefing um 14:15 Uhr pazifischer Sommerzeit auf dem Sommertreffen der American Astronomical Society (AAS) in San Diego detailliert beschreiben, wie die erste LIGO-Erkennung in die Theorie seines Teams passt. Er wird auch später am Tag von 17:30 bis 18:30 Uhr (PDT) beim AAS-Treffen zur Verfügung stehen, um die Forschung bei einer entsprechenden Postersitzung zu diskutieren.
Bei einer separaten Medienbesprechung gab die LIGO Scientific Collaboration heute ihre zweite Entdeckung von Gravitationswellen und verschmelzenden Schwarzen Löchern bekannt – am zweiten Weihnachtsfeiertag in Großbritannien und am Weihnachtstag 2015 in den USA. Diese wachsende Population von Schwarzen Löchern wird Astrophysikern helfen, mehr über das Universum zu erfahren.
„Wir waren begeistert von der Nachricht, die LIGO Anfang des Jahres über die erste Entdeckung kollidierender Schwarzer Löcher bekannt gab“, sagte Carl L. Rodriguez , Hauptautor der Studie und Doktorand. Student in Rasios Forschungsgruppe. „Die Ergebnisse sind ziemlich genau dort, wo wir sie erwartet hatten. Wir freuen uns darauf, mit den Daten neuer Entdeckungen zu arbeiten.“
Die Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher ist ein sehr heftiges und exotisches Ereignis. Rasio und sein Team verwendeten Modelle von Kugelsternhaufen – kugelförmige Ansammlungen von bis zu einer Million dicht gepackter Sterne, die im Universum häufig vorkommen –, um zu zeigen, dass ein typischer Sternhaufen auf ganz natürliche Weise ein binäres Schwarzes Loch erzeugen kann, das zu einem größeren Schwarzen Loch verschmilzt.
Ihr leistungsstarkes Computermodell kann vorhersagen, wie viele verschmelzende binäre Schwarze Löcher LIGO entdecken könnte: möglicherweise 100 pro Jahr in den Kernen dieser dichten Sternhaufen. Das Modell zeigt auch, wo im Universum sich die binären Schwarzen Löcher befinden, wie lange es her ist, dass sie verschmolzen sind und wie groß die Massen jedes Schwarzen Lochs sind.
„Einfache physikalische Prozesse bewirken, dass die schweren Schwarzen Löcher in die Mitte des Clusters gelangen“, sagte Rasio. „Diese Paare verschmelzen schließlich und werden von LIGO erkannt.“ Er ist Joseph-Cummings-Professor in der Abteilung für Physik und Astronomie am Weinberg College of Arts and Sciences im Nordwesten.
„Wir gehen davon aus, dass LIGO bis zum Ende des Jahrzehnts Hunderte bis Tausende von binären Schwarzen Löchern entdecken wird“, sagte Rodriguez.
Rasio und Rodriguez sind Mitglieder des Northwestern Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA) .
In ihrer Studie beschreiben Rasio, Rodriguez und Kollegen detailliert die dynamischen Interaktionsprozesse, die ein verschmelzendes binäres Schwarzes-Loch-System bilden könnten. Sie zeigen auch, dass theoretische Vorhersagen für diesen dynamischen Bildungskanal im Allgemeinen weitaus robuster sind als Modelle für den anderen Hauptkanal zur Bildung binärer Schwarzer Löcher, die auf der Entwicklung massereicher Sterne in isolierten Doppelsternen (nicht in Sternhaufen) basieren.“
Rodriguez und Kollegen verwendeten 52 detaillierte Computermodelle, um zu demonstrieren, wie ein Kugelsternhaufen als Hauptquelle binärer Schwarzer Löcher fungiert und im Laufe der 12 Milliarden Jahre langen Lebensdauer eines Sternhaufens Hunderte von Verschmelzungen Schwarzer Löcher hervorruft.
Durch den Vergleich der Modelle mit jüngsten Beobachtungen von Clustern in der Milchstraße und darüber hinaus zeigen die Ergebnisse, dass Advanced LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) letztendlich mehr als 100 Verschmelzungen binärer Schwarzer Löcher pro Jahr beobachten könnte.
Für die Studie verwendete das Forschungsteam einen parallelen Rechencode zur Modellierung von Sternhaufen, der im Rahmen einer von CIERA unterstützten interdisziplinären Zusammenarbeit zwischen der Abteilung für Physik und Astronomie von Northwestern und der Abteilung für Elektrotechnik und Informatik entwickelt wurde. Die Arbeit umfasst 52 Computermodelle, und ihr umfangreichstes Modell benötigte 30.000 Stunden Rechenleistung.
Advanced LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) ist ein groß angelegtes physikalisches Experiment zur direkten Erfassung von Gravitationswellen kosmischen Ursprungs. Laserinterferometer erkennen Gravitationswellen anhand der winzigen Schwingungen aufgehängter Spiegel, die beim Durchgang der Wellen durch die Erde in Bewegung gesetzt werden.
Die National Science Foundation (Zuschuss AST-1312945) und die NASA (Zuschuss NNX14AP92G) unterstützten die Forschung.
Der Artikel mit dem Titel „ Dynamical Formation of the GW150914 Binary Black Hole “ wurde am 10. Juni von The Astrophysical Journal Letters veröffentlicht. Weitere Autoren sind neben Rasio und Rodriguez Sourav Chatterjee und Vicky Kalogera von Northwestern sowie Carl-Johan Haster von der University of Birmingham.