Svarta hål är en av naturens bästa förstörelsemotorer. De äter och rivar isär allt inom dess gravitationella grepp i band av materia och energi innan de slutligen konsumerar det bortom händelseshorisonten. Men vad händer när mer än en av dessa förödelsemotorer möts? Universum kan vara en stor plats men dessa möten sker och ofta med fyrverkerier.

Black Hole Binaries

Även om att hitta svarta hål har blivit en enklare uppgift, är det inte att hitta två av dem i närheten av varandra. De är faktiskt ganska sällsynta. Par som har observerats kretsar runt varandra på ett avstånd av några tusen ljusår men när de faller närmare varandra kommer de så småningom att ha bara några ljusår som skiljer dem innan de slås samman. Forskare misstänker att detta är den viktigaste tillväxtmetoden för svarta hål när de blir supermassiva och den bästa metoden för att hitta gravitationvågor, eller förskjutningar i rymdtidens tyg (JPL WISE ). Tyvärr har observationsbevis i bästa fall varit svåra, men genom att utforska den potentiella fysiken i en sådan sammanslagning kan vi få ledtrådar om hur de kommer att se ut och vad vi behöver leta efter.

Med resultaten av fler sammanslagningar kan vi äntligen lösa det "vanliga kuvertet" kontra den "kemiskt homogena" modellen för sammanslagning. Den första teoretiserar att en massiv stjärna växer till att bli en jätte medan dess följeslagare är en dvärg och långsamt stjäl material. Massan växer och växer och omsluter den vita dvärgen, vilket får den att kollapsa i ett svart hål. Jätten kollapsar så småningom också och de två kretsar runt varandra tills de smälter samman. Den senare teorin har de två stjärnorna som kretsar runt varandra men inte interagerar, bara kollapsar på egen hand och så småningom faller i varandra. Det är den sammanslagning som återstår ... okänd (Wolchover).

Fysiken för binära svarthålssammanslagningar

Alla svarta hål styrs av två egenskaper: deras massa och deras snurr. Tekniskt sett kan de också ha en laddning men på grund av den högenergiska plasma som de piska upp runt dem är det troligt att de har en laddning på noll. Detta hjälper oss mycket när vi försöker förstå vad som händer under sammanslagningen, men vi kommer att behöva använda några matematiska verktyg för att helt dela in detta konstiga land med andra okända. Specifikt behöver vi lösningar på Einstein s fältekvationer för rymdtid (Baumgarte 33).

Tyvärr är ekvationerna multivariabla, kopplade (eller sammanhängande) och innehåller partiella derivat. Aj. Med föremål att lösa för att inkludera (men inte begränsat till) en rumslig metrisk tensor (ett sätt att hitta avstånd i tre dimensioner), den extrinsiska krökningen (en annan riktningskomponent relaterad till tidens derivat), och förfallnings- och skiftfunktionerna (eller hur mycket frihet vi har i vår uppsättning koordinater för rymdtid). Lägg till allt detta ekvationernas olinjära karaktär och vi har ett stort röra att lösa. Lyckligtvis har vi ett verktyg för att hjälpa oss: datorer (Baumgarte 34).

Vi kan få dem programmerade så att de kan ungefärliga partiella derivat. De använde också rutnät för att konstruera en konstgjord rymdtid där objekt kan existera. Vissa simuleringar kan visa en tillfällig cirkulär stabil bana medan andra använder symmetriargument för att förenkla simuleringen och visa hur binären fungerar därifrån. Specifikt, om man antar att de svarta hålen smälter direkt, dvs. inte som ett blickande slag, kan några intressanta förutsägelser göras (34).

Och de kommer att vara viktiga för att fylla i vad våra förväntningar är på en binär fusion av svart hål. Enligt teorin kommer troligtvis tre steg att inträffa. De kommer först att börja falla i varandra i en nästan cirkulär bana och producera större amplitudgravitationsvågor när de kommer närmare. För det andra kommer de att falla tillräckligt nära för att börja slås samman, vilket gör de största tyngdkraftsvågorna som hittills har sett. Slutligen kommer det nya svarta hålet att bosätta sig i en sfärisk händelseshorisont med tyngdkraftsvågor vid nästan noll amplitud. Post-Newtonian tekniker som relativitet förklarar den första delen väl, med simuleringar baserade på ovannämnda fältekvationer som hjälper till med det sammanslagna scenen och föroreningsmetoder i svart hål (eller hur händelseshorisonten fungerar som svar på förändringar i det svarta hålet). betydelse för hela processen (32-3).

Så ange datorerna för att hjälpa till med sammanslagningsprocessen. Ursprungligen var tillnärmningarna bara bra för symmetriska fall, men när framsteg inom både datorteknik och programmering uppnåddes var simulatorerna bättre i stånd att hantera komplexa fall. De fann att asymmetriska binärer, där den ena är mer massiv än den andra, uppvisar rekyl som kommer att ta nettans linjära momentum och bära det sammanslagna svarta hålet i den riktning som gravitationsstrålningen tar. Simulatorerna har visat för ett par snurrande svarta hål att den resulterande sammanslagningen kommer att ha en rekylhastighet på över 4000 kilometer per sekund, snabb nog för att undkomma de flesta galaxer! Detta är viktigt eftersom de flesta modeller av universum visar galaxer som växer genom sammanslagning. Om deras centrala supermassiva svarta hål (SMBH) smälter samman, bör de kunna fly och skapa galaxer utan en central utbuktning från det svarta hålets drag. Men observationer visar mer utbuktade galaxer än simulatorerna skulle förutsäga. Detta innebär sannolikt att de 4000 kilometerna per sekund är det extrema hastigheten för återhämtning. Intressant är också den takt som det nybildade svarta hålet kommer att äta, för nu när det är på farten möter det fler stjärnor än ett stationärt svart hål. Teorin förutspår att den sammanslagna kommer att möta en stjärna varje årtionde medan en stationär kan vänta upp till 100 000 år innan en stjärna ligger i närheten. Genom att hitta stjärnor som får sin egen spark från detta möte hoppas forskare att det kommer att peka på sammanslagna svarta hål (Baumgarte 36, Koss, Harvard).

En annan intressant förutsägelse uppstod från spin av binärerna. Den hastighet med vilken det resulterande svarta hålet skulle rotera beror på snurret på varje tidigare svart hål liksom dödsspiralen de faller i, så länge gravitationsenergin är tillräckligt låg för att inte orsaka en betydande vinkelmoment. Detta kan innebära att snurret på ett stort svart hål kanske inte är detsamma som den tidigare generationen, eller att ett svart hål som avger radiovågor kan växla riktning, för jets position beror på det svarta hålets snurr. Så vi kan ha ett observationsverktyg för att hitta en ny sammanslagning! (36) Men för tillfället har vi bara hittat binärer i den långsamma omloppsprocessen. Läs vidare för att se några anmärkningsvärda och hur de potentiellt kan antyda om sin egen undergång.

WISE J233237.05-505643.5 |

The Dynamic Duos

WISE J233237.05-505643.5, som ligger 3, 8 miljarder ljusår bort, passar för räkningen för att undersöka svarthulls-binärer i aktion. Beläget vid WISE-rymdteleskopet och följt upp av det australiska teleskopet Compact Array och Gemini-rymdteleskopet, hade denna galax jetflygningar som fungerar konstigt genom att agera mer som banderoller än fontäner. Till en början trodde forskarna att det bara var nya stjärnor som bildades i snabb takt runt ett svart hål men efter uppföljningsstudien verkar data tyder på att två SMBH: er spiralar in till varandra och så småningom kommer att smälta samman. Strålen som kom från regionen låg utanför eftersom det andra svarta hålet drog på den (JPL “WISE”).

Nu var båda dessa lätta att upptäcka eftersom de var aktiva eller hade tillräckligt med material runt sig för att avge röntgenstrålar och ses. Vad sägs om tysta galaxer? Kan vi hoppas hitta några svarthålsseminarier där? Fukun Liu från Peking universitet och team har hittat ett sådant par. De bevittnade en händelse av tidvattenstörningar, eller när ett av de svarta hålen fångade en stjärna och strimlade den isär och släppte röntgenstrålar under processen. Så hur såg de en sådan händelse? När allt är utrymmet stort och dessa tidvattenhändelser är inte vanliga. Teamet använde sig av XMM-Newton eftersom det kontinuerligt tittade på himlen efter utbrott av röntgenstrålar. Visst nog, den 20 juni 2010 upptäckte XMM en i SDSS J120136.02 + 300305.5. Det matchade en tidvattenhändelse för ett svart hål initialt men gjorde sedan några ovanliga saker. Två gånger under hela ljusperioden bleknade röntgenstrålarna ut och utsläppen föll till noll och dök upp igen. Detta matchar simuleringar som visar en binär följeslagare som drar på röntgenströmmen och avleder den från oss. Ytterligare analys av röntgenstrålarna visade att det huvudsakliga svarta hålet är 10 miljoner solmassor och det sekundära är 1 miljon solmassor. Och de är nära, med cirka 0, 005 ljusår från varandra. Detta är i huvudsak solsystemets längd! Enligt de ovannämnda simulatorerna fick dessa svarta hål 1 miljon år till innan sammanslagningen inträffade (Liu).

SDSS J150243.09 + 111557.3 |

The Terrific Trios

Om du kan tro det har en grupp med tre SMB: s närhet hittats. System SDSS J150243.09 + 111557.3, som är 4 miljarder ljusår bort baserat på en röd växling på 0, 39, har två nära binära SMBH: er med en tredje släp på nära håll. Det var först från början att vara en singelkvasar men spektrumet berättade om en annan berättelse, för syret spikade två gånger, något som en singelobjekt inte borde göra. Ytterligare observationer visade en blå och röd skiftskillnad mellan topparna och baserade på att ett avstånd på 7400 parsec fastställdes. Ytterligare observationer från Hans-Rainer Klockner (från Max Planck Institute for Radio Astronomy) med VLBI visade att en av dessa toppar faktiskt var två nära radiokällor. Hur nära? 500 ljusår, tillräckligt för att deras jets blandas! Faktum är att forskare är glada över möjligheten att använda dem för att upptäcka fler system som den här (Timmer, Max Planck).

PG 1302-102: Slutetapperna före en sammanslagning?

Som nämnts tidigare är sammanslagningar av svart hål komplicerade och kräver ofta datorer för att hjälpa oss. Skulle det inte vara bra om vi hade något att jämföra med teori? Gå in i PG 1302-102, en kvasar som uppvisar en konstig upprepande ljussignal som verkar matcha vad vi skulle se för de sista stegen i ett svart hålssammanslagning där de två föremålen är redo att smälta. De kan till och med vara 1 miljondel av ett ljusår från varandra, baserat på arkivdata som visar att den ungefär 5-åriga ljuscykeln är närvarande. Det verkar vara ett svarthålspar med cirka 0, 02 till 0, 06 ljusår från varandra och rör sig med cirka 7-10% ljusets hastighet, varvid ljuset är periodiskt på grund av den ständiga dragningen av de svarta hålen. Fantastiskt rör sig de så snabbt att relativistiska effekter på rymdtid drar bort ljuset från oss och orsakar en dämpande effekt, med en motsatt effekt som uppstår när vi rör oss mot oss. Detta i samband med Doppler-effekten resulterar i det mönster vi ser. Det är dock möjligt att ljusavläsningarna kan komma från en oberäknelig ackretionsskiva, men data från Hubble och GALEX i flera olika våglängder under två decennier pekar på den binära svarthålbilden. Ytterligare data hittades med hjälp av Catalina Real-Time Transient Survey (aktivt sedan 2009 och använde 3 teleskoper). Undersökningen jagade 500 miljoner objekt över en spännvidd på 80% av himlen. Aktiviteten i detta område kan mätas som en utgång av ljusstyrka, och 1302 visade ett mönster som modeller indikerar skulle uppstå från två svarta hål som föll i varandra. 1302 hade de bästa uppgifterna, visar en variation med motsvarade en period på 60 månader. Forskare var tvungna att se till att förändringarna i ljusstyrka inte orsakades av ett enda svart hål sknvningsskiva och jetens prescession fodrade upp p ana ett optimalt sätt. Lyckligtvis är perioden för en sådan händelse 1 000 000 000 år, så det var inte svårt att utesluta. Av 247 000 kvasarer som sågs under studien kan ytterligare 20 ha ett mönster som liknar 1302 såsom PSO J334.2028 + 01.4075 (Kalifornien, Rzetelny 24 september 2015, Maryland, Betz, Rzetelny 8 januari 2015, Carlisle, JPL "Funky").

När en fusion går galen ...

Ibland när svarta hål smälter samman, kan de uppröra sina lokala omgivningar och sparka ut föremål. En sådan sak hände när CXO J101527.2 + 625911 upptäcktes av Chandra. Det är ett supermassivt svart hål som kompenseras från värdgalaxen. Ytterligare data från Sloan och Hubble visade att topputsläppen från det svarta hålet visar att det rör sig bort från värdgalaxen, och de flesta modeller pekar på en sammanslagning av svart hål som den skyldige. När de svarta hålen smälter samman, kan de orsaka rekyl i den lokala rymden och sparka ut alla nära föremål nära den (Klesman).

Gravity Waves: A Door?

Och slutligen skulle det vara försumligt om jag inte nämnde de senaste resultaten från LIGO om framgångsrik upptäckt av gravitationsstrålning från en sammanslagning av svart hål. Vi borde kunna lära oss så mycket om dessa händelser nu, särskilt när vi samlar in mer och mer data.

En sådan upptäckt har att göra med graden av kollisioner i svart hål. Detta är sällsynta och svåra händelser att upptäcka i realtid, men forskare kan räkna ut den grova hastigheten baserad på effekterna tyngdvågor har på millisekund pulsars. Det är universums klockor, som avger i en ganska konsekvent takt. Genom att se hur dessa pulser påverkas över en himmelspridning kan forskare använda dessa avstånd och förseningar för att bestämma antalet sammanslagningar som behövs för att matcha. Och resultaten visar att antingen de kolliderar i en lägre takt än väntat eller att tyngdkraftsmodellen för dem behöver revideras. Det är möjligt att de bromsar ner via dra mer än väntat eller att deras banor är mer excentriska och begränsar kollisioner. Oavsett, det är ett spännande fynd (Francis).

Citerade verk

Baumgarte, Thomas och Stuart Shapiro. “Binary Black Hole Fergers.” Fysik idag oktober 2011: 33-7. Skriva ut.

Betz, Eric. ”Första glimt av fusion av Mega Black Hole.” Astronomi maj 2015: 17. Skriv ut.

California Institute of Technology. "Ovanliga ljusa signaler ger ledtrådar om svårfångande svarthålfusion." Astronomy.com . Kalmbach Publishing Co., 13 jan 2015. Webb. 26 juli 2016.

Carlisle, Camille M. “Black Hole Binary En Route to Merger?” SkyandTelescope.com . F + W, 13 jan 2015. Webb. 20 augusti 2015.

Francis, Matthew. "Gravitationsvågor visar underskott i kollisioner i svart hål." arstechnica.com . Conte Nast., 17 oktober 2013. Webben. 15 augusti 2018.

Harvard. "Nyligen sammanslagna svarta hål strimlar ivrigt stjärnor." Astronomy.com . Kalmbach Publishing Co., 11 april 2011. Web. 15 augusti 2018.

JPL. "Funky ljussignal från kolliderande svarta hål förklarade." Astronomy.com. Kalmbach Publishing Co., 17 september 2015. Webb. 12 september 2018.

---. “WISE Spots Möjlig Massive Black Hole Duo.” Astronomy.com . Kalmbach Publishing Co., 04. december 2013. Web. 18 juli 2015.

Klesman, Alison. "Chandra upptäcker ett svällande svart hål." Astronomy.com . Kalmbach Publishing Co., 12 maj 2017. Web. 8 nov 2017.

Koss, Michael. "" Vad lär vi oss om svarta hål i sammanslagning av galaxer? ”Astronomi Mar. 2015: 18. Skriv ut.

Liu, Fukun, Stefanie Komossa och Norbert Schartel. “Unikt par dolda svarta hål upptäckt av XMM-Newton.” ESA.org. Europeiska rymdorganisationen 24 april 2014. Webb. 8 augusti 2015.

Maryland. "Pulserande ljus kan indikera supermassiv sammansättning av svart hål." astronomy.com . Kalmbach Publishing Co., 22 april 2015. Webb. 24 augusti 2018.

Max Planck Institute. "Trio av supermassiva svarta hål skakar rymden." astronomy.com . 26 juni 2014. Webb. 07 mars 2016.

Rzetelny, Xaq. “Supermassive Black Hole Binary Upptäckt.” Arstechnica.com. Conte Nast., 8 jan 2015. Webb. 20 augusti 2015.

Rzetelny, Xaq. "Supermassiva svarta hål hittade spiralformade med sju procent ljushastighet." arstechnica.com. Conte Nast., 24 september 2015. Webb. 26 juli 2016.

Timmer, John. "Samling av tre supermassiva svarta hål detekterade." arstechnica.com. Conte Nast., 25 juni 2014. Webb. 07 mars 2016.

Wolchover, Natalie. "Senaste Black Hole Collision kommer med en vridning." quantamagazine.org. Quanta, 1 juni 2017. Web. 20 nov 2017.