Wspólne badania prowadzone przez Michiko Fujii z Uniwersytetu Tokijskiego wykazały możliwy mechanizm powstawania czarnych dziur o masach pośrednich w gromadach kulistych, czyli gromadach gwiazd, które mogą zawierać dziesiątki tysięcy, a nawet miliony ciasno upakowanych gwiazd. Pierwsze w historii symulacje powstawania masywnych gromad gwiazda po gwieździe ujawniły, że wystarczająco gęste obłoki molekularne, „gniazda narodzin” gromad gwiazd, mogą dać początek bardzo masywnym gwiazdom, które ewoluują w czarne dziury o masach pośrednich. Wyniki opublikowano w czasopiśmie Science.
„Wcześniejsze obserwacje sugerowały, że w niektórych masywnych gromadach gwiazd (gromadach kulistych) znajduje się czarna dziura o masie pośredniej (IMBH)” – Fujii wyjaśnia motywację projektu badawczego. „IMBH to czarna dziura o masie 100-10000 mas Słońca. Jak dotąd nie ma mocnych teoretycznych dowodów wykazujących istnienie IMBH o masie Słońca 1000-10,10.1126/science.adi4211000 w porównaniu z mniej masywnymi ( masa gwiazdowa) i masywniejsze (supermasywne).
Gniazda porodowe mogą przywoływać obrazy ciepła i spokoju. Inaczej jest w przypadku gwiazd. Gromady kuliste gwiazd powstają w wyniku zamieszania. Różnice w gęstości powodują najpierw zderzanie się i łączenie gwiazd. W miarę jak gwiazdy łączą się i rosną, siły grawitacyjne rosną wraz z nimi. Powtarzające się zderzenia gwiazd w gęstym, centralnym obszarze gromad kulistych nazywane są zderzeniami niekontrolowanymi. Mogą prowadzić do narodzin bardzo masywnych gwiazd o masie przekraczającej 1000 mas Słońca. Gwiazdy te mogą potencjalnie ewoluować w IMBH. Jednak wcześniejsze symulacje już utworzonych gromad sugerowały, że wiatry gwiazdowe wywiewają większość ich masy, pozostawiając je zbyt małe. Aby zbadać, czy IMBH mogą „przetrwać”, badacze musieli symulować gromadę w czasie jej formowania.
„Symulacje powstawania gromad gwiazd były trudne ze względu na koszty symulacji” – mówi Fujii. „Po raz pierwszy z sukcesem przeprowadziliśmy symulacje numeryczne powstawania gromad kulistych, modelując pojedyncze gwiazdy. Rozdzielając poszczególne gwiazdy z realistyczną masą każdej z nich, mogliśmy zrekonstruować zderzenia gwiazd w ciasno upakowanym środowisku. Do tych symulacji wykorzystaliśmy opracowali nowatorski kod symulacyjny, w którym moglibyśmy z dużą dokładnością zintegrować miliony gwiazd.”
W symulacji niekontrolowane zderzenia rzeczywiście doprowadziły do powstania bardzo masywnych gwiazd, które wyewoluowały w czarne dziury o masach pośrednich. Naukowcy odkryli również, że stosunek masy gromady do IMBH był zgodny z obserwacjami, które były podstawą projektu.
„Naszym ostatecznym celem jest symulacja całych galaktyk poprzez rozdzielanie pojedynczych gwiazd” – Fujii wskazuje na przyszłe badania. „Nadal trudno jest symulować galaktyki wielkości Drogi Mlecznej poprzez rozdzielanie pojedynczych gwiazd przy użyciu obecnie dostępnych superkomputerów. Jednak możliwa byłaby symulacja mniejszych galaktyk, takich jak galaktyki karłowate. Chcemy także obrać za cel pierwsze gromady, gromady gwiazd powstałe w wczesnego wszechświata Pierwsze gromady to także miejsca, w których mogą narodzić się IMBH.”