Czarne dziury, jedne z najbardziej urzekających istot we wszechświecie, posiadają ogromne przyciąganie grawitacyjne, tak silne, że nawet światło nie może uciec. Przełomowe wykrycie fal grawitacyjnych w 2015 r., spowodowanych koalescencją dwóch czarnych dziur, otworzyło nowe okno na wszechświat. Od tego czasu dziesiątki takich obserwacji zapoczątkowały wśród astrofizyków poszukiwanie zrozumienia ich astrofizycznego pochodzenia. Dzięki niedawnym znaczącym postępom kodu POSYDON w symulowaniu populacji gwiazd podwójnych, zespół naukowców, w tym niektórzy z Uniwersytetu Genewskiego (UNIGE), Northwestern University i University of Florida (UF), przewidział istnienie połączenia masywnych, 30 masowe układy podwójne czarnych dziur w galaktykach podobnych do Drogi Mlecznej, podważając wcześniejsze teorie. Wyniki te zostały opublikowane w czasopiśmie Nature Astronomy.
Czarne dziury o masie gwiazdowej to obiekty niebieskie powstałe w wyniku zapadania się gwiazd o masach od kilku do kilkuset mas naszego Słońca. Ich pole grawitacyjne jest tak intensywne, że ani materia, ani promieniowanie nie mogą ich ominąć, co sprawia, że ich wykrycie jest niezwykle trudne. Dlatego też, kiedy w 2015 roku Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) wykrył maleńkie zmarszczki w czasoprzestrzeni powstałe w wyniku połączenia dwóch czarnych dziur, okrzyknięto to przełomowym momentem. Według astrofizyków dwie łączące się czarne dziury u źródła sygnału miały około 30 mas Słońca i znajdowały się w odległości 1,5 miliarda lat świetlnych.
Teoria pomostowa i obserwacja
Jakie mechanizmy wytwarzają te czarne dziury? Czy są produktem ewolucji dwóch gwiazd, podobnych do naszego Słońca, ale znacznie masywniejszych, ewoluujących w układzie podwójnym? A może wynikają z przypadkowego zderzenia czarnych dziur w gęsto zaludnionych gromadach gwiazd? A może w grę wchodzi bardziej egzotyczny mechanizm? Wszystkie te pytania są nadal przedmiotem gorących dyskusji.
W ramach współpracy POSYDON zespół naukowców z takich instytucji jak Uniwersytet Genewski (UNIGE), Northwestern i University of Florida (UF) poczynił znaczące postępy w symulowaniu populacji gwiazd podwójnych. Ta praca pomaga w udzielaniu dokładniejszych odpowiedzi i uzgadnianiu przewidywań teoretycznych z danymi obserwacyjnymi. „Ponieważ niemożliwe jest bezpośrednie obserwowanie powstawania łączących się układów podwójnych czarnych dziur, konieczne jest poleganie na symulacjach odtwarzających ich właściwości obserwacyjne. Robimy to, symulując układy podwójne gwiazd od ich narodzin do powstania układu podwójnego czarnej dziury systemów”, wyjaśnia Simone Bavera, badacz ze stopniem doktora na Wydziale Astronomii Wydziału Nauk UNIGE i główny autor tego badania.
Przesuwanie granic symulacji
Interpretacja pochodzenia łączenia się podwójnych czarnych dziur, takich jak obserwowane w 2015 r., wymaga porównania teoretycznych przewidywań modeli z rzeczywistymi obserwacjami. Technika zastosowana do modelowania tych systemów jest znana jako „synteza populacji binarnej”. „Technika ta symuluje ewolucję dziesiątek milionów układów podwójnych gwiazd w celu oszacowania właściwości statystycznych wynikowej populacji źródeł fal grawitacyjnych. Jednak aby osiągnąć to w rozsądnych ramach czasowych, naukowcy do tej pory polegali na modelach wykorzystujących przybliżone metody symulacji ewolucji gwiazd i ich interakcji podwójnych. Dlatego też nadmierne uproszczenie fizyki gwiazd pojedynczych i podwójnych prowadzi do mniej dokładnych prognoz” – wyjaśnia Anastasios Fragkos, adiunkt na Wydziale Astronomii na Wydziale Nauk UNIGE.
POSYDON pokonał te ograniczenia. Zaprojektowany jako oprogramowanie typu open source, wykorzystuje wstępnie obliczoną dużą bibliotekę szczegółowych symulacji gwiazd pojedynczych i podwójnych do przewidywania ewolucji izolowanych układów podwójnych. Każda z tych szczegółowych symulacji może zająć do 100 godzin pracy procesora na superkomputerze, przez co ta technika symulacji nie nadaje się bezpośrednio do syntezy populacji binarnej. „Jednak dzięki wstępnemu obliczeniu biblioteki symulacji obejmującej całą przestrzeń parametrów warunków początkowych, POSYDON może wykorzystać ten obszerny zbiór danych wraz z metodami uczenia maszynowego do przewidywania pełnej ewolucji systemów binarnych w mniej niż sekundę. Ta prędkość jest porównywalna z szybkością kodów szybkiej syntezy populacji poprzedniej generacji, ale z lepszą dokładnością” – wyjaśnia Jeffrey Andrews, adiunkt na Wydziale Fizyki UF.
Przedstawiamy nowy model
„Modele sprzed POSYDON przewidywały znikome tempo powstawania łączących się podwójnych czarnych dziur w galaktykach podobnych do Drogi Mlecznej, aw szczególności nie przewidywały istnienia łączących się czarnych dziur o masie 30 mas naszego Słońca. POSYDON wykazał, że takie masywne czarne dziury mogą istnieć w galaktykach podobnych do Drogi Mlecznej” — wyjaśnia Vicky Kalogera, profesor fizyki i astronomii na Wydziale Fizyki i Astronomii Uniwersytetu im. Astrophysics (CIERA) i współautor tego opracowania.
Poprzednie modele przeceniały niektóre aspekty, takie jak ekspansja masywnych gwiazd, która wpływa na utratę ich masy i interakcje układów podwójnych. Pierwiastki te są kluczowymi składnikami, które decydują o właściwościach łączenia czarnych dziur. Dzięki w pełni spójnym, szczegółowym symulacjom struktury gwiazd i interakcji układów podwójnych, POSYDON osiąga dokładniejsze prognozy łączenia właściwości układów podwójnych czarnych dziur, takich jak ich masy i spiny.
To badanie jest pierwszym, w którym wykorzystano nowo wydane oprogramowanie POSYDON typu open source do badania łączących się układów podwójnych czarnych dziur. Zapewnia nowy wgląd w mechanizmy formowania się łączenia czarnych dziur w galaktykach takich jak nasza. Zespół badawczy opracowuje obecnie nową wersję POSYDON, która będzie zawierała większą bibliotekę szczegółowych symulacji gwiazd i układów podwójnych, zdolną do symulacji układów podwójnych w szerszym zakresie typów galaktyk.