Gjorde en Starry 'Mosh Pit' Spawn LIGO Gravitational Waves? (Kavli Roundtable)

Adam Hadhazy, författare och redaktör för Kavli Foundation, bidragit denna artikel till ProfoundSpace.orgs Expert Voices: Op-Ed & Insights.

Mycket till sin förvåning, hittar forskare massor av svarta hål djupt i täta packade samlingar av stjärnor som kallas globära kluster. Astrofysiker använder en rekordbrytande datorsimulering för att lära sig clusters hemligheter, inklusive om de gav upphov till nyligen observerade krusningar i rymdtid.

I 2015, efter ett århundrades spekulation, upptäckte världen äntligen de elusiva krusningarna i universumets tyg som kallas gravitationsvågor. Detta hände när ett vågjaktexperiment kallat LIGO, som verkar som en kolossal stämningsgaffel, kände av att dessa vågor slog ut ur katastrofal kollision av två massiva svarta hål. (Läs mer: Vad är LIGO?)

Men vart uppstår dessa kollisioner? Ett nytt papper om LIGOs tredje gravitationsvågsdetektering, meddelade 1 juni, antyder att det svarta hålet kan ha varit inuti ett vackert föremål som kallas ett globalt kluster - en glittrande himmelsk "snöklot" fylld med hundratusentals tätt packade stjärnor. I sina centra menas att globala kluster hamnar i dussintals till hundratals svarta hål - den största koncentrationen av dessa exotiska objekt hittades överallt i universum. [Jakt Gravitational Waves: LIGO Laser Interferometer Projekt i Foton]

Globala kluster kan mycket väl vara en viktig källa till gravitationens vågor, som forskare känner av med LIGO. Att studera dessa vågor kan lära oss mer om deras täta stjärnkluster, och i processen kolliderar vi också uppbyggnaden av galaxer, universums största grupperingar av stjärnor.

I denna simulering samverkar 60 svarta hål och 500 stjärnor med varandra i den kaotiska kärnan i ett globalt kluster tills två svarta hål kombineras för att bilda ett svart hål binärt. Kredit: Carl Rodriguez / Nordvästlig visualisering (Justin Muir, Matt McCrory, Michael Lannum)

Kavli-stiftelsen talade med tre astrofysiker om de många vetenskapliga möjligheterna globulära kluster som finns för att förstå kollisioner av svarta hål såväl som arbetet i den bredare kosmos.

Deltagarna var:

  • Rainer Spurzem - en professor vid Kavli Institute for Astronomy & Astrophysics vid Peking University och den kinesiska vetenskapsakademin. Han är specialiserad på datorsimuleringar av komplexa astrofysiska system som galaxer och globära kluster.
  • Carl Rodriguez - en postdoktor i Pappalardo och en postdoktor vid Massachusetts Institute of Technology (MIT) samt en medlem av MIT: s Kavli Institute for Astrophysics and Space Research. Hans forskning fokuserar på täta stjärnkluster, inklusive globulära kluster, liksom hur svarta hål formas och uppför sig i dessa trånga system.
  • Jay Strader - en biträdande professor i avdelningen för fysik och astronomi vid Michigan State University. Han utför sökningar efter svarta hål i globära kluster.

Följande är ett redigerat transkript av sin rundabordsdiskussion. Deltagarna har fått möjlighet att ändra eller ändra sina kommentarer.

Kavli-stiftelsen: Skygazers har beundrat den glittrande stjärnan av globala kluster i århundraden. Är det förvånande att dessa lysande föremål har mörka "hjärtan" fulla av svarta hål, eftersom nya datorsimuleringar och observationer bär ut?

Carl Rodriguez: Det är inte förvånande ur ståndpunkten att så länge du börjar med en stor population av stjärnor någonstans i universum kommer du att hamna med några ultralätta, massiva stjärnor. Dessa sällsynta, monsterstjärnor är de som gravitationellt kollapsar för att bilda svarta hål när de dör. Eftersom globala kluster är hemma för så många stjärnor, hade forskare länge tänkt på att några svarta hål oundvikligen skulle produceras i dem. Men förrän för tio år sedan hade vi inga observationsbevis för att bevisa att dessa horder av svarta hål faktiskt var där.

Rainer Spurzem: Det har alltid varit klart att det borde finnas många svarta hål i globära kluster. Men den stora frågan har varit, och fortfarande är: Vad händer med dem? Stannar de inuti globulära klyftor eller slungas ut i rymden strax efter att de bildats? Har vi sett bevis för svarta hål som nyligen bildats eller har lingrat inuti globala klyftor i miljarder år? Antagandet brukade vara att globala kluster inte kunde behålla svarta hål. Men det är inte vad datasimuleringar av mig och mina kollegor, liksom i arbetet av Carl och andra, visar nu.

Rodriguez: Det är rätt. I tidigare modeller var tanken att de svarta hålen väsentligen skulle falla ur lösningen, som hur tunga dammpartiklar i atmosfären sakta sätter sig på jordens yta. Men det är inte det vi ser. [Bilder: Universella svarta hål]

I de senaste datasimuleringarna som mitt lag och Rainers team har gjort självständigt, är det mycket mer blandning, och de svarta hålen tvingar inte varandra ut ur det globala klustret. Tidigare modeller misslyckades med att fånga att svarta hål har ett brett spektrum av massor, medan vi hanterar svarta hål som har så lite som tre gånger och hela vägen upp till 30, 50 eller till och med 80 gånger solens massa. Så nu finns det ett jämnt kontinuum. Med det ser vi inte denna typ av olje-och vattenavskiljning av stjärnorna och de svarta hålen i ett globalt kluster längre.

Jay Strader: Vad som är bra är att du har dessa två separata undersökningslinjer, av teori och experimentella observationer. Rainer och Carl skapar datorsimuleringar baserat på teoretiska modeller, medan mitt lag samlar observationsbevis för existensen av svarta hål i globala kluster.För närvarande når vi samma slutsatser, att globulära kluster kan behålla sina svarta hål. Och om så är fallet kan globala kluster vara där svarta hål ofta kolliderar och skapar gravitationsvågor.

TKF: Rainer, den simulering du just nämnde du arbetar på är den mest realistiska simuleringen av ett globalt kluster hittills. Eftersom det tyder på att de gravitationsvågor vi har upptäckt med LIGO kom från två svarta hål i ett globalt kluster, tror du att deras ursäkt är nu löst?

Spurzem: Den simulering vi körde kallas DRAGON Simulation Project. Det är en otroligt sofistikerad simulering av ett globalt kluster, skapat genom att spåra en miljon digitala stjärnor som de interagerade över 12 miljarder år - nästan universums ålder. Det gör ett bra jobb att simulera globära kluster och med hjälp av det hittade vi några sammanslagna svarta hål som mer eller mindre överensstämmer med de gravitationsvåghändelser som LIGO har upptäckt. Men vi kan inte vara helt säkra än.

Något som vi saknar är en riktig folkräkning av alla de globala klustren i vårt kosmiska grannskap. Vi behöver veta hur många som är där ute för att se om deras antal korrelerar med den förväntade gravitationsvåghändelsen som vi förväntar oss att LIGO kommer att upptäcka per år. Ju mer globulära kluster det finns, desto sannolikt är det att de första gravitationsvågorna LIGO någonsin upptäcktes var från en. Vi har mycket mer arbete att göra än DRAGON för att ta reda på ursprunget till LIGOs upptäckta gravitationsvågor.

TKF: Carl, du undersöker hur globala kluster antagligen fungerar som "fabriker" för att göra par av svarta hål. Vad har du lärt dig?

Rodriguez: Globala kluster har betydligt färre stjärnor och svarta hål än vad du skulle hitta i en hel galax. Till exempel har Vintergatan 200 miljarder eller så stjärnor, medan globala kluster har kanske bara en miljon stjärnor. Men när det gäller att göra par av svarta hål är det densiteten av stjärnor som spelar roll, och det är där globala kluster har galaxer att slå. Vintergatan är cirka 100 000 ljusår i diameter, ge eller ta ett globalt kluster är bara omkring 10 ljusår i diameter.

Denna extrema täthet av stjärnor möjliggör dynamiska processer som du inte ser andra platser i universum. Svarta hål kan komma tillräckligt nära varandra för att de ska genomgå gravitationella interaktioner och bilda ett par, känt som en binär. Du kan se det i galaxer också, men det är oerhört sällsynt, medan det hela tiden händer i globära kluster.

TKF: Du har också kartlagt ett sätt för astrofysiker att räkna ut källan till en gravitationsvåg. Hur fungerar detta?

Rodriguez: Detta går tillbaka till min doktorsavhandling, där jag lyckades svänga termen "black hole mosh pit" i ett tidigare papper för att beskriva vad denna kosmiska miljö skulle vara. Jag var nöjd med det själv. [Skratt]

Svarta hål roterar längs en central axel. När de kretsar varandra i ett binärt system, kommer varje av de svarta hålen att ha sin egen rotationsorientering. Dessa centrifugeringsriktningar kan anpassas till den svarta hålens bana, som två toppar vrider mot varandra på ett platt bord. Eller, rotationsriktningarna kan skilja sig åt och vara feljusterade, som toppar som spinner i vilket tredimensionellt utrymme som helst. LIGO kan faktiskt upptäcka när sammanslagning av svarta hål har dessa slags felinriktningar. Och i den nyaste tredje upptäckten av gravitationella vågor hittills ser det ut att det finns betydande bevis på att de svarta hålen inte är inriktade på banan. Om de roterar alls tycks det tyder på att de är något motströms med banan, precis som du skulle förvänta dig om de kom från ett kluster. Så astrofysiker kommer att använda denna information för att ta reda på om fusionen inträffade i ett globalt kluster eller någon annanstans mindre kaotisk ute i Vintergatan.

TKF: Varför bryr vi oss om vågorna var resultatet av en sammanslagning av två svarta hål inom ett kluster eller inte?

Rodriguez: Att kunna diskriminera dessa två populationer av binära svarta hål - de inom och utanför globala kluster - skulle vara väldigt, mycket intressant och verkligen hjälpa till att låsa upp potentialen för gravitationsvågsanfysik. Om vi ​​exempelvis upptäcker att de flesta av dessa svarthålsbinarier kommer från täta stjärnkluster, kan vi kartlägga det tillbaka på utvecklingen av dessa kluster och få en bättre uppfattning om deras bildande och beteende.

Om vi ​​däremot kan diskriminera två separata populationer och visa att hälften av de binära svarta hålen kommer från kluster och hälften kommer från binära stjärnor utanför kluster, kan vi börja svara på frågor om fysiken i producerar universets mest massiva stjärnor.

TKF: Vad gör de globala klustrarna så spännande?

Strader: Genom att lära mer om vad som håller globala kluster tillsammans kan vi lära oss om de olika förhållandena under vilka stjärnor föder. Globala kluster kan bildas med en miljon stjärnor nära varandra. Den kollektiva tyngdkraften hos det hela stjärniga ensemblet kan hjälpa stjärnorna att stanna tillsammans i många miljarder år. Det skiljer sig väldigt annorlunda från de flesta stjärnor i universum, som vi tror bildade i grupper av kanske hundra eller tusen stjärnor. I allmänhet hålls dessa stjärnkluster ihop mycket kraftigt av tyngdkraften, så de sprider sig snabbt över tiden.

Vi kan också lära oss om utvecklingen av det bredare universum. Tidigt i sin historia var universum en mycket tät plats, som vi tycker var ganska gynnsam för att bilda massiva kluster, inklusive globulära kluster. Vi kan testa den ideen genom att undersöka åldrar och livstider i globala kluster.

Spurzem: Globala kluster erbjuder fascinerande tester av himmelska mekaniker, hur hundratusentals eller till och med miljontals stjärnor interagerar. De är också bland de äldsta föremålen du hittar i vår galax samt andra, så de kan erbjuda ett unikt fönster till förståelse av galaxbildning.

TKF: Tala om galaxformation, Jay, du är en del av SLUGGS undersökning, som använder markteleskopbaserade teleskop för att studera detta ämne. Hur är globära kluster användbara för att spåra utvecklingen av galaxer över universums historia?

Strader: Globala kluster är relativt ljusa föremål. Det gör dem lättare att observera och studera på större avstånd än andra grupper av stjärnor. Detta är viktigt, för när du flyttar från vårt Vintergata ut till närliggande galaxer och sedan till mer avlägsna galaxer, blir det ofta omöjligt att studera sina enskilda stjärnor för att lära sig något om deras egenskaper, såsom deras kemiska sammansättning och ålder. Men du kan fortfarande göra de studierna på dessa galaxer globala kluster. Så globala kluster tillåter dig att driva dessa typer av "back-in-time" fossila studier av hur galaxerna bildas till väsentligt större avstånd, så att vi lär oss mycket mer om galaxer i universum.

Ett annat sätt som globala kluster informerar oss om galaxbildning har faktiskt en anslutning till svarta hål. Nyligen har vi upptäckt att många objekt vi trodde var de mest massiva globulära klusterna inte verkar vara globala kluster alls. I stället verkar de vara rester av mer massiva galaxer som sönderdelades av en annan galax och lämnar endast den ursprungliga galaxens kärna. Några av dessa kärnor är laddade med stjärnor, så de ser ut som lilla, stjärnbrända nuggets - mycket lik ett globalt kluster. Men de har bara ett enda supermassivt svart hål i deras centrum, som vi har i mitten av vår egen Vintergatan galax. Vi kan studera dessa rester för att förstå supermassiva svarta hål och hur galaxer samverkar över universums livstid.

Spurzem: Det finns ett objekt som heter Omega Centauri i vår egen galax som kan vara en av dessa rester av en mer massiv galax. Omega Centauri har länge betraktats som Mjölkets största globala kluster och innehåller 10 miljoner stjärnor.

Strader: Det är rätt. Det är också nästan säkert att det globala klustret Messier 54 nära Vintergatan är faktiskt kärnan till en galaktisk granne, Skytten-dvärgens elliptiska galax. Det finns några andra kluster som är kandidater som tidigare galaxer som ätits av Vintergatan.

TKF: Återvänt till DRAGON-simuleringen, Rainer, vad hoppade du och dina kollegor om att lära dig om globala kluster och uppdagade du några överraskningar?

Spurzem: Överraskande var det några överraskningar! Det visade oss att vi är på rätt väg i att förstå globala kluster. DRAGON-simuleringen lyckades passa med observationer av riktiga globära kluster, tagna av Hubble Space Telescope, till exempel. Det simulerade klustret behåller också dussintals svarta hål.

DRAGON är en slutpunkt för en mycket lång kamp för att simulera en miljon rörliga, interaktiva kroppar. Tillbaka 1990, tyckte forskarna att det kunde göras med kraftfulla datorer om 10 år. Det var inte så lätt! Även efter att vi utvecklat datakoderna behövde vi fortfarande en maskin som kunde köra dem.

När jag gick tillbaka nästan ett decennium började mina kollegor och jag använda en superdator hos de kinesiska vetenskapsakademins nationella astronomiska observatorier, som jag hade hjälpt till att förvärva och är en av anledningarna till att jag först kom till Kina. Vi samarbetade med forskare på Max Planck Computing and Data Facility vid Max Planck Institute for Astrophysics i Tyskland. Det här kinesiska-europeiska samarbetet möjliggjorde DRAGON-simuleringsprojektet, och en av mina lärare, Long Wang, ledde ansträngningarna. Vi nådde slutligen vårt mål att köra simuleringen.

TKF: Jay, istället för en superdator, studerar du dessa svarta hål med hjälp av radiodata samlade av Very Large Array, ett jordbaserat teleskop. Hur låter du med dessa instrument "se" och prova svarta hål?

Strader: Tja, med ett svart hål är det precis där i namnet - du kan inte se det. Så vad du söker är indirekt bevis. Det kan vara en följeslag stjärna eller gas som omger det svarta hålet och värms upp av det.

Dessa signaturer berättar inte om ett föremål är ett svart hål eller något annat som kallas en neutronstjärna - de täta resterna av stjärnor som inte var tillräckligt massiva för att producera ett svart hål när de dog. Så mitt arbete med Very Large Array, som är det här stora radioteleskopet i New Mexico-du såg det i filmen "Kontakt" - utnyttjar det faktum att svarta hål sänder radiostrålar som är väsentligt ljusare än några strålar som kommer av av neutronstjärnor. Det är vad som markerar kandidaterna svarta hål för oss.

Sedan tittar vi med rymdteleskopet Hubble, som har den skarpaste visionen, så att vi kan associera dessa radiostrålar med enskilda stjärnor. När vi har gjort det kan vi säga om den stjärnan kan vara i ett binärt system med ett svart hål. Slutligen studerar vi den stjärnan för att se om dess rörelse ger dynamiska bevis för att objektet det är ihop med är faktiskt ett svart hål. [Hubble rymdteleskopet: en 25-årsjubileumsfoto firande]

TKF Vad är några av de andra stora öppna frågorna om globulära kluster och deras svarta hål, och hur kan vi svara på dem?

Strader: Vi hittar kandidat svarta hål inuti Vintergungens globala kluster, och vi arbetar för närvarande med att bekräfta dem.En stor fråga jag har är, vad är förhållandet mellan föremålen vi hittar och den totala svarta hålbefolkningen i dessa kluster? Hur många hittar vi inte? De flesta svarta hålen inuti ett globalt kluster kommer sannolikt inte att observeras, så hur uppskattar vi den totala hastigheten vid vilken svarta hål bildar par som kan upptäckas av LIGO?

Spurzem: Vi har nyligen lärt oss att globala kluster kan vara värd för flera generationer av stjärnor, vilket betyder att inte alla klusterstjärnor föddes samtidigt. Det går emot våra standardmodeller, som säger att stjärnorna i globala kluster borde vara ungefär samma år.

Den andra frågan är rotation i globala kluster. Det är ett mysterium, för när vi ser på globulära kluster nu, är alla dem sfäriska. Men när de bildade, måste de ha haft en naturlig rotation, och du skulle inte förvänta dig att de bollar upp i så täta, runda grupper av stjärnor. En del process gjorde det möjligt för dem att förlora rotations- och formfältet. Det har blivit mycket försummat.

Rodriguez: I vissa forntida globära kluster som inte har utvecklats dynamiskt med andra kluster eller galaxer, bör du teoretiskt få mycket, mycket massiva svarta hål, så stora som 50 gånger solens massa eller ännu större. Jag tycker att det skulle vara väldigt intressant att se om vi kunde få en glimt av en av dessa monster i en av dessa unevolved-kluster, för vi har aldrig indirekt sett ett svart hål på så sätt.

Spurzem: Något som är mest fascinerande är att i det intergalaktiska rummet mellan grupper av galaxer kan det finnas tiotusentals globala kluster som bara fritt flytande där. Om detta är vanligt, skulle det innebära att det kan finnas många, många mer globala kluster runt än vad vi tidigare hade tänkt.

- Adam Hadhazy, våren 2017