Here Be Monsters: Studie identifiziert wahrscheinlichen Ort der Verschmelzung von Schwarzen-Loch-Giganten

Verschmelzung von Schwarzen Löchern

Künstlerische Simulation zweier schwarzer Löcher, die im Weltraum verschmelzen. Die Schwerkraft eines Schwarzen Lochs ist stark genug, um den Raum zu verzerren und den Wirbeleffekt um beide Objekte herum zu erzeugen. (Bildnachweis: LIGO / Caltech / MIT / Sonoma State (Aurore Simonnet))



Wissenschaftler, die auf der Suche nach kollidierenden Schwarzen Löchern sind, sollten ihren Blick auf die ruhigen, äußeren Regionen von Galaxien wie der Milchstraße richten, schlägt eine neue Studie vor.



Ende 2015 machten Forscher die erstmals direkter Nachweis von Gravitationswellen — Kräuselungen im universellen Gewebe, das als Raumzeit bekannt ist. Astronomen haben jetzt vier separate Gravitationswellensignale entdeckt, die von Paaren schwarzer Löcher stammen, die kollidieren und miteinander verschmelzen. Die Verschmelzung von Schwarzen Löchern dieser Größe – etwa das 20- bis 50-fache der Sonnenmasse – war noch nie zuvor in der Natur direkt beobachtet worden.

Gravitationswellendetektoren haben es leider schwer einzugrenzen, wo sich die verschmelzenden Schwarzen Löcher befinden. Dies erschwert es Wissenschaftlern, Folgestudien durchzuführen oder nach möglichen Lichtquellen in der Umgebung der Schwarzen Löcher zu suchen. [Kein Entkommen: Tauchen Sie ein in ein Schwarzes Loch (Infografik)]



Frühere Arbeiten hatten vorgeschlagen, dass sich Paare von Schwarzen Löchern in diesem Massenbereich eher in dunklen Zwerggalaxien bilden. Die neue Studie zeigt jedoch, dass die ruhigen äußeren Regionen größerer, spiralförmiger Galaxien – wie unsere eigene Milchstraße – möglicherweise bessere Orte sind, um zu suchen.

„Wenn unsere Berechnung richtig ist, ist der Vorteil, dass es viel einfacher ist, große Galaxien zu finden, wenn Sie versuchen, das Signal zu lokalisieren, oder? Das ist ziemlich offensichtlich“, sagte Studienleiterin Sukanya Chakrabarti, Professorin für Physik und Astronomie am Rochester Institute of Technology (RIT).

Die Bestimmung des genauen Standorts oder der Heimatgalaxie dieser Schwarzen-Loch-Paare hat mehrere Vorteile für die Astrophysik. Erstens würde es die Wahrscheinlichkeit erhöhen, Lichtsignale zu sehen, die durch die Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher entstehen. Während die Schwarzen Löcher selbst völlig dunkel sind, könnte nahegelegene Materie (wie eine Scheibe aus Gas und Staub, die darum herumwirbelt) Licht ausstrahlen. Die Untersuchung dieses Lichts könnte Wissenschaftlern mehr Informationen über diese Ereignisse liefern.



Darüber hinaus wollen Wissenschaftler Gravitationswellen verwenden, um die Expansionsrate des Universums zu messen – ein Wert, der als Hubble-Konstante bekannt ist, benannt nach dem Astronomen Edwin Hubble. Im Moment gibt es zwei Möglichkeiten, diesen Wert zu messen, aber sie haben leicht unterschiedliche Werte ergeben und Wissenschaftler wissen nicht warum. Messungen von Gravitationswellen könnten die Diskrepanz lösen.

'Es ist der heilige Gral der Gravitationswellen-Kosmologie', sagte Chakrabarti gegenüber guesswhozoo.com.

Geburtsstätte des Schwarzen Lochs

Schwarze Löcher können sich bilden, wenn massereichen Sternen der Treibstoff ausgeht und sie als Supernovae explodieren. Ein Großteil des Materials, aus dem der lebende Stern besteht, kollabiert auf einen einzigen Punkt und ein Schwarzes Loch bildet sich. Schwarze Löcher mit der 10- bis 50-fachen Masse der Sonne müssen sich aus Sternen mit Massen zwischen etwa 40 und 100 Sonnenmassen bilden, so Wissenschaftler des Projekts Laser Interferometry Gravitational-Wave Observatory (LIGO), das Raumzeit-Wellen aus dem vier Verschmelzungen Schwarzer Löcher (sowie solche, die durch eine andere Art von Ereignis erzeugt werden – die Kollision zweier Neutronensterne).



Wo werden diese massereichen Sterne geboren?

Um einen wirklich massereichen Stern herzustellen, benötigt man eine sehr einfache Ausgangsmischung, die fast ausschließlich aus Wasserstoff und Helium besteht. „Schwerere“ Elemente (solche mit Zahlen über 2 im Periodensystem) können die Bildung sehr massereicher Sterne dämpfen. Dies geschieht, weil diese Elemente im Vergleich zu Wasserstoff eine intensivere Strahlung abgeben; Diese Strahlung übt eine nach außen gerichtete Kraft aus, die Gas und anderes Material wegdrückt, damit der Stern nicht mehr Materie ansammelt und größer wird.

Die hellen Regionen großer Galaxien – wie die schönen, wirbelnden Arme der Milchstraße – stehen ganz unten auf der Liste der Möglichkeiten, weil sie so reich an schweren Elementen sind.

Aber fast alle Spiralgalaxien besitzen eine äußere Scheibe, die hauptsächlich aus Wasserstoff besteht, sagte Chakrabarti. Diese sogenannten „H1-Regionen“ haben insgesamt sehr niedrige Sternentstehungsraten und sind daher im Vergleich zu den hellen Zentralscheiben ziemlich schwach. Im Falle des Die Milchstraße , ist die H1-Region etwa so dick wie die Hauptscheibe breit ist – etwa 30 Kiloparsec oder etwa 100.000 Lichtjahre im Durchmesser. In einigen Galaxien, die in der Studie untersucht wurden, ist die H1-Scheibe 80 Kiloparsec groß, sagte Chakrabarti gegenüber guesswhozoo.com – viel Platz für die Geburt massereicher Sterne.

Diese Karte der Südhalbkugel aus der LIGO-Kollaboration zeigt die Himmelsregion, aus der das Observatorium ein Gravitationswellensignal entdeckt hat. Das Gebiet ist zu groß, als dass Wissenschaftler eingrenzen könnten, aus welcher Galaxie das Signal stammt.

Diese Karte der Südhalbkugel aus der LIGO-Kollaboration zeigt die Himmelsregion, aus der das Observatorium ein Gravitationswellensignal entdeckt hat. Das Gebiet ist zu groß, als dass Wissenschaftler eingrenzen könnten, aus welcher Galaxie das Signal stammt.(Bildnachweis: LIGO Science Collaboration)

Zwei Arten von Galaxien

Das neue Papier berechnet die Rate, mit der diese schweren Kollisionen von Schwarzen Löchern wahrscheinlich in diesen H1-Regionen auftreten. Sie stellen fest, dass die Anzahl der Kollisionen in einem bestimmten Gebiet über eine bestimmte Zeit vergleichbar, wenn nicht sogar besser ist als bei Zwerggalaxien.

Zwerggalaxien sind kleine Ansammlungen von Sternen, die eher wie funkelnde Wolken als helle Lichtscheiben aussehen. Eine vorgängige Veröffentlichung zeigte, dass Zwerggalaxien diese Schwarzen-Loch-Paare eher beherbergen als große Spiralgalaxien wie die Milchstraße. Aber dieses Papier berücksichtigte nicht unterschiedliche Regionen in diesen Galaxien, wie die H1-Region, sagte Chakrabarti gegenüber guesswhozoo.com.

Die vorherige Studie wurde von Richard O'Shaughnessy mitverfasst, einem Assistenzprofessor für Mathematik am RIT und Mitglied der LIGO-Kollaboration – und einer von Chakrabartis Co-Autoren des neuen Papiers. Chakrabarti sagte, sie habe nach der Veröffentlichung des früheren Papiers mit O'Shaughnessy gesprochen und ihm gesagt, er solle Regionen von Galaxien berücksichtigen und nicht nur Galaxien als Ganzes.

'Dies ist ein neues Feld', sagte Chakrabarti und bezog sich auf die direkte Entdeckung dieser Verschmelzungen schwarzer Löcher. „Unsere Arbeit ist wirklich die dritte, die sich mit dieser Frage befasst, was die Wirtsgalaxien von binären Schwarzen Löchern sind. Es ist eine Art neue Frage, und es erfordert das Zusammentreffen zweier Felder, die etwas unterschiedlich waren.'

Die Autoren geben in dem Artikel an, dass ihre numerischen Schätzungen für die Kollisionen Schwarzer Löcher in diesen verschiedenen Umgebungen nicht sehr genau sind, da es noch sehr wenige Daten gibt, mit denen man arbeiten kann – bisher nur vier Detektionen von Gravitationswellensignalen von Schwarzen Löchern. Aber Chakrabarti sagte, die allgemeine Schlussfolgerung sei, dass die H1-Regionen dieser Galaxien, wenn es um Schwarze Löcher in diesem Massenbereich geht, genauso fruchtbar sind wie Zwerggalaxien oder sogar noch mehr.

'Niemand hat vorgeschlagen, dass sich binäre Schwarze Löcher tatsächlich häufiger in den Randgebieten großer Galaxien wie unserer eigenen bilden könnten', sagte Chakrabarti. 'Selbst unter Berücksichtigung aller Unsicherheiten [in der berechneten Rate] denke ich, dass es klar ist, dass die Außenbezirke von Spiralen so viele massive Verschmelzungen von binären Schwarzen Löchern erzeugen werden wie jede andere galaktische Umgebung.'

Das Papier ist ab sofort auf der Open-Source-Website arxiv.org , und wurde zur Veröffentlichung im Astrophysical Journal angenommen.

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