Astronomi

Birleşme sırasında kara delikler küresel midir?

Birleşme sırasında kara delikler küresel midir?



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Özellikle iki birleşmeden önceki son anlarda kara delikler hakkında düşünüyordum. Kara deliklerin veya daha spesifik olarak olay ufuklarının her zaman küresel olup olmadığını merak ediyorum. Bana öyle geliyor ki, iki birleşmeden önceki anlarda, ilgili olay ufukları, bir şekilde Ay'ın okyanusumuzun gelgitlerine neden olması gibi gerilecek. Nasıl görünebileceklerini düşündüğümün (zayıf) bir diyagramını çizdim. Olay ufkunun iç taraftaki tekilliğe nasıl daha yakın olduğuna dikkat edin, bunun nedeni her bir kara delikten gelen yerçekiminin karşıt olmasıdır. Olay ufku, dış taraftaki tekillikten daha uzaktır çünkü her bir kara delikten gelen yerçekimi toplanır.


Tahmin etmeye gerek yok. Bu alanda yapılmış sağlam araştırmalar var. Wikipedia'da bile bazı bilgiler var:

İki kara delik birbirine yaklaşırken, iki olay ufkunun her birinden diğerine doğru bir "ördek gagası" şekli çıkıntı yapar. Bu çıkıntı, diğer kara delikten çıkan çıkıntı ile buluşana kadar daha uzun ve daha daralır. Bu noktada olay ufku, buluşma noktasında çok dar bir X-şekline sahiptir. Çıkıntılar ince bir ipliğe çekilir. Buluşma noktası, köprü adı verilen kabaca silindirik bir bağlantıya genişler.

https://en.wikipedia.org/wiki/Binary_black_hole#Shape

Birleşme sırasında olay ufuklarının şekline ilişkin hesaplamaların sonuçlarını gösteren resimler içeren araştırma makaleleri bulunmaktadır. İşte bir örnek:

Yukarıdaki resim bu kağıttan alınmıştır:

İkili Kara Delik İlhamlarında Toroidal Ufuklar Üzerine

Yarı dairesel bir yörüngede başlayan, inspiral ve sonunda birleşen iki kara deliğin sayısal simülasyonları için olay ufkunun yapısını inceliyoruz. Birleştirilmiş olay ufkunun uzamsal kesitinin, simetrilerin yokluğunda genel ikili kara delik birleşmelerinin kısaca bir toroidal çapraza sahip bir olay ufku ile sonuçlanması beklentisine rağmen, küresel topolojiye (çözümümüzün sınırına kadar) sahip olduğunu bulduk. Bölüm.


Sorudan Bu LIGO Orrery videosundan neler öğrenilebilir veya not alınabilir? LIGO Orrery videosunu izleyebiliriz (akıllara durgunluk veren Kepler Orrery IV'ten esinlenilmiştir).

Buradaki ekran görüntülerinden küçük, düşük kaliteli bir GIF yaptım, video çok daha ilgi çekici.

Bu cevapta belirtildiği gibi tam olarak neyin tasvir edildiğinden emin olmak zordu, ancak muhtemelen yüzeyler en azından bir olay ufku gibi bir şeyi gösteriyor.


Yorumlar

Büyüleyici. Ancak, sonuçta ortaya çıkan birleştirilmiş kara delik için boyut tahmininin ne olduğunu bulamadım. Başka bir deyişle, ortaya çıkan kara deliğin boyutu neydi ve oluşumunda ne kadar enerji açığa çıktı? Bir kara delik birleşmesinde açığa çıkan enerji beni her zaman etkilemiştir.

Yorum yapabilmek için giriş yapmalısınız.

Geçen hafta yayınlanan makaleye göre, nihai birleşik kütle 37 Güneş kütlesiydi. Atalar ayrı ayrı 38.1 olarak gerçekleşti. Böylece kütleçekimsel dalga enerjisine dönüştürülen kütle yaklaşık olarak 1,1 Güneş kütlesiydi (alıntılanan belirsizlikler dahilinde ver veya al).


Bu karmaşık NASA simülasyonunda (video) iki canavar kara deliğin bir araya gelmesini izleyin

Astrofizikçiler bir gün gerçekten iki devin birleşmesini görmenin hayalini kuruyorlar. Kara delikler, çevredeki maddeyi nasıl etkilediğine bağlı olarak sadece portresini boyamak yerine.

Bir gün tam da bunu yapma ihtimalini artırmak için bilim adamları, her zamankinden daha karmaşık geliştirmek için bilgisayarları görevlendirdiler. simülasyonlar kara deliklerin neye benzediğinin, özellikle de birleştiklerinde. Araştırmacılar daha sonra, bazıları NASA'nın yeni yayınladığı bu süper karmaşık simülasyonları, hangi imzaların ve hangi araçlarla tespit edilebileceğine dair tahminlere çevirebilirler.

"Ne aradığımızı tam olarak bildiğimiz noktaya kadar onları simüle edene kadar muhtemelen bir teleskopla asla ikili bir kara delik bulamayacağız, çünkü onlar çok uzaktalar, çok küçükler, göreceksiniz. NASA'nın Maryland'deki Goddard Uzay Uçuş Merkezi'nde simülasyon araştırması üzerinde çalışan astrofizikçi Jeremy Schnittman, "sadece bir ışık zerresi" dedi. NASA beyanı. "Şu dumanı tüten silahı arayabilmemiz gerekiyor."

Simülasyonlar, birleşen iki süper kütleli kara deliği çevreleyen garip koşullarda maddenin nasıl davrandığına dair son derece karmaşık denklemleri çatırdatan bilgisayarların sonuçları.

Çöken bir yıldızdan oluşan yıldız kütleli karadeliklerin aksine, süper kütleli kara delikler tipik olarak galaksilerin merkezinde bulunur ve güneşimizin milyonlarca veya milyarlarca katı kütleye sahip olabilir. Samanyolu'muzun kalbindeki Sagittarius A* adlı süper kütleli kara delik 4 milyon güneş kütlesine sahiptir.

Maryland Üniversitesi'nde astrofizikçi ve projede ortak olan Bernard Kelly, "Tutarlı bir resim üretmek için farklı kodları ve simülasyon yöntemlerini sorunsuz ve doğru bir şekilde bir araya getirmeye çalışıyoruz" dedi.

Bu simülasyonlarda, kara deliklerin her biri küresel bir gaz kabuğu ile çevrilidir ve çiftin kendisi, iki küresel kabuğa kavisli gaz izleriyle bağlı daha uzak bir halka ile çevrilidir. Kara delikleri çevreleyen manyetik ve yerçekimi kuvvetleri gazı ısıtarak ultraviyole ışık ve X-ışınlarında parlamasına neden olur.

Temel simülasyon tamamlandıktan sonra bilim adamları, birleşme sinyalinin nasıl değişeceğini görmek için faktörleri değiştirebilirler. Bu süreç, araştırmacıların birleşmeye dahil olan gaz miktarının ve bilim adamlarının bunu gözlemledikleri açının, teleskopların bu tür bir çarpışmadan toplayacağı gözlemleri nasıl değiştirdiğini anlamalarına yardımcı olur.

Örneğin simülasyonlar, birleşmenin etrafındaki diskin kenarından bakıldığında, bir kara deliğin, parlayan gaz kümelerinin nasıl etkileşime girdiğinden dolayı yoldaşının yanında kaş benzeri bir özellik yaratacağını gösteriyor. Araştırmacılar bu çalışmayı aşağıdaki gibi gelecekteki projelerde kullanmayı umuyorlar: Lazer İnterferometre Uzay Anteni Avrupa Uzay Ajansı'nın önümüzdeki on yılda başlatmayı hedeflediği misyon.

Goddard'da simülasyon araştırması üzerinde çalışan bir astrofizikçi olan Scott Noble, "Orada her şeyi görmek için ışığa güveniyoruz" dedi. "Ancak her şey ışık yaymaz, bu nedenle iki kara deliği doğrudan 'görmenin' tek yolu, oluşturdukları yerçekimi dalgalarıdır. Yerçekimi dalgaları ve çevreleyen gazdan gelen ışık, sistem hakkında bilgi edinmenin bağımsız yollarıdır ve umut, onların aynı noktada buluşacak."


Kozmik Şafak Sırasında İkili Kara Delik Birleşmesinden Gelen Yerçekimi Dalgaları LIGO-Başak (Astronomi) Aracılığıyla Tespit Edilebilir

Sözde 'Kozmik Şafak', yani ilk ışık kaynaklarının (yıldızlar, kara delikler, galaksiler) Evrende tutuştuğu çağ ve bunu izleyen reiyonizasyon çağı (EoR) sırasında hidrojenin çoğunun İyonize durumuna geri dönen galaksiler arası ortam (IGM), Evrenin evriminin en büyüleyici ve en az anlaşılan aşamalarından ikisidir.

Kırmızıya kaymaya bağlı İkili kara delikler (BBH’s) birleşme oranına atıfta bulunarak, daha fazla sayıda BBH daha önceki dönemlerde birleşir ve bu nedenle bireysel olarak çözülmemiş birleşme popülasyonlarının çoğu bir GW arka planı (GWB) üretir. Bir GWB'nin tespiti, birleşen BBH'lerin oluşum çağını ve verimliliğini araştırmak, erken evrende başlatılan büyük yıldız/BH popülasyonları için kütle fonksiyonunu sınırlamak ve hatta kozmik yeniden iyonlaşma tarihi hakkında bilgi sağlamak için kullanılacaktır.

Daha spesifik olarak, yüksek kırmızıya kayma (şu andan itibaren yüksek z), büyük BBH popülasyonlarının varlığı (örneğin, PopIII yıldızlarından sonra Popülasyon III yıldızlarının kalan BH'leri), benzersiz bir spektral şekle sahip LIGO/Başak tarafından algılanabilen bir GWB üretecektir. ∼ 30 Hz'de önemli ölçüde düzleşir, bu da genel olarak daha düşük kırmızıya kayma ve daha az kütleli BBH'ler tarafından üretilen ∼ 2/3 spektral indeksinden ayırt edilebilir. Yakın tarihli bir popülasyon sentezi çalışması, PopIII katkısı dahil edilirse, spektral indeksin kanonik değerden saptığını da iddia etti.

Kozmik şafakta oluşan birleşen BBH'lerin devasa yıldız ataları da erken evrende etkili iyonlaştırıcı radyasyon üreticileridir ve yeniden iyonlaşma sürecine hakim olmaları beklenmektedir. Son zamanlarda, Planck, evrenin optik derinliğinin, kozmik mikrodalga arka plan (CMB) anizotropilerinden çıkarılan elektron saçılımına ilişkin güncellenmiş bir tahminini bildirdi.
τe ≃ 0,052 ± 0,008. Bu düşük değer, yıldız oluşum tarihi ve daha yüksek kırmızıya kaymalarda BBH oluşumu için mevcut olan toplam yıldız kütle bütçesi üzerinde sıkı bir kısıtlama sağlayacaktır. Bu nedenle, bu, yüksek z popülasyonlarından kaynaklanan BBH birleşmeleri nedeniyle bir GWB'nin genliğini sınırlar.

Şimdi, Inayoshi ve meslektaşları, kozmik yeniden iyonlaşmadan kaynaklanan kümülatif yıldız kütlesi üzerindeki kısıtlamayı hesaba katarak BBH birleşmeleri tarafından üretilen GWB'nin üst sınırını incelediler.

Üst sınırda bile, GWB sinyalinin Gelişmiş LIGO–Virgo tasarım hassasiyetinde hala saptanabilir olduğunu, z ≃ 0'daki birleşme oranının ise gözlemlenen GW olay hızından tutarlı veya daha düşük olduğunu bulduk.

- çalışmanın ilk yazarı Inayoshi'ye söyledi

Yeniden iyonlaşma geçmişinden gelen bu kısıtlama altında, yüksek kırmızıya kaymalı BBH popülasyonu için birleşme oranı, gecikme süresi a'nın geniş bir parametre aralığı için z ≃ 0'da R_BBH ≃ 5−30 Gpc¯ 3 yıl¯ 1 kadar yüksek olur. (DTD) BBH birleşmeleri için.

BBH'lerin büyük çoğunluğu erken evrende birleştiğinden, 1.0 ≲ n ≲ 1.5 DTD endeksi için birleşme oranı z ≃ 6 − 10'da R_BBH ≃ 10 3–4 Gpc¯ 3 yıl¯ 1'e yükselir. Sık birleşmelerinin bir sonucu olarak, araştırmacılar, yüksek kırmızıya kayma (high-z) BBH popülasyonu tarafından üretilen GWB'nin genliğinin f = 25 Hz'de Ωgw ≃ 1.48 × 10¯ 9 kadar yüksek olabileceği sonucuna vardılar. LIGO–Virgo dedektörleri en hassas olanıdır (bu GWB sinyalini tespit etmede), z ≃ 0'daki birleşme oranı tutarlı veya gözlemlenen GW olay oranından daha düşüktür. Bu GWB seviyesinin tespiti, aynı zamanda yüksek z BBH popülasyonunun yerel GW olaylarına büyük bir katkısını da gösterecektir.

LIGO–Virgo O3a gözlem çalışmasından güncellenmiş BBH özelliklerini ve τe'nin yeni değerini kullanarak, aynı zamanda 2/3 değerinden f ≳ 20 − 30 Hz'de karakteristik bir düzleşmeye sahip bir GWB spektral şekli çıkardılar. kütle işlevi yerel evrendekinden daha ağırsa, düşük frekanslara doğru daha fazla çarpıktır.

Bu, yüksek kırmızıya kaymalarda BBH'leri birleştirmenin kütle işlevi hakkında bilgi çıkarmamızı sağlar.

- çalışmanın ilk yazarı Inayoshi'ye söyledi

Referans: Kohei Inayoshi, Kazumi Kashiyama, Eli Visbal, Zoltan Haiman, “kozmik şafakta birleşen kara delik ikililerinden kütleçekimsel dalga arka planları: bir üst sınır”, ArXiv, s. 1-15, 2021. https://arxiv.org /abs/2103.12755

Bu makalenin telif hakkı tamamen yazarımız S. Aman'a aittir. Kişi, yalnızca kendisine veya bize uygun kredi vererek yeniden kullanmasına izin verilir.


Gökbilimciler bu kara delik çarpışmasının ışıkla patlamış olabileceğini düşünüyor

Okuyucu yorumları

Bu hikayeyi paylaş

Bir kara deliğin en belirleyici özelliklerinden biri, olay ufkunu geçtikten sonra hiçbir şeyin, hatta ışığın bile kaçamamasıdır. Dolayısıyla, iki kara delik çarpışıp birleştiğinde de aynı şeyin olması beklenir. Ancak bazı gökbilimciler, böyle bir birleşmenin eşlik eden bir ışık patlamasına yol açabileceği olağandışı koşulların olabileceğini öne sürdüler. Fiziksel İnceleme Mektupları'ndaki yeni bir makaleye göre, bir ekip, yerçekimi dalgası verilerini robotik bir gökyüzü araştırması sırasında toplanan verilerle birleştirerek böyle bir fenomenin ilk kanıtını bulduğunu düşünüyor.

LIGO, kilometrelerce arayla yerleştirilmiş iki nesne arasındaki mesafedeki küçük değişiklikleri ölçmek için yüksek güçlü lazerler kullanarak lazer interferometrisi aracılığıyla yerçekimi dalgalarını algılar. (LIGO'nun Hanford, Washington ve Livingston, Louisiana'da dedektörleri vardır. İtalya'da üçüncü bir dedektör olan Advanced VIRGO, 2016'da çevrimiçi olmuştur.) 14 Eylül 2015'te saat 05:51 EST'de, her iki dedektör de sinyalleri milisaniyeler içinde aldı. iki kara deliğin birbirine doğru spiral çizdiğini ve uzay-zaman boyunca güçlü şok dalgaları gönderen devasa bir çarpışma olayında birleştiğini gösteren doğrudan kanıt.

Daha fazla okuma

İşbirliği, ilk çalıştırmadan iki kara delik birleşmesini daha aldı. 30 Kasım 2016'dan 25 Ağustos 2017'ye kadar olan ikinci çalışma, eşzamanlı bir gama ışını patlaması ve sinyallerle desteklenen yedi ikili kara delik birleşmesini (az önce açıklanan dördü dahil) ve ikili bir nötron-yıldız birleşmesini üretti. "kilonova" olarak adlandırılan elektromanyetik spektrumun geri kalanı. Bu, ışık ve sesi birleştiren büyük bir gök olayının benzeri görülmemiş bir kaydıydı ve resmi olarak "çoklu haberci astronomi" olarak adlandırılan yeni bir çağın başlangıcını işaret ediyordu.

Aralık 2018'de, işbirliği, kabaca 5 milyar yıl önce bugüne kadar bilinen en büyük kara delik çarpışması da dahil olmak üzere, karadeliklerin birleşmesinden kaynaklanan yerçekimi dalgalarının önceden duyurulmamış ikinci kez tespit edildiğini bildirdi. LIGO/VIRGO üçüncü seferine 1 Nisan 2019'da başladı ve bir ay içinde beş yerçekimi dalgası olayı daha tespit etti: üçü karadeliklerin birleşmesinden, biri nötron yıldızı birleşmesinden ve diğeri bir nötron yıldızının ilk örneği olabilir -kara delik birleşmesi. (Sert LIGO meraklıları için artık etkinlik duyurularını takip etmenizi sağlayan bir iPhone uygulaması var, Android sürümü de çalışıyor).

2017 "kilonova"dan beri, gökbilimciler, LIGO/VIRGO, nötron yıldızı birleşmeleri veya olası nötron yıldızı-kara delik birleşmeleri için bir yerçekimi dalgası sinyali aldığında, karşılık gelen bir optik imza aramak için çabalıyorlar. Ancak varsayım, kara delik-kara delik birleşmelerinin herhangi bir optik imza üretemeyeceğiydi, bu yüzden bir tane aramanın bile anlamı yoktu. Caltech'te bir astronom ve yeni makalenin ortak yazarı olan Matthew Graham, geçen yıl alternatif bir model öneren gökbilimciler arasında yer alıyor ve belirli koşullar altında ve belirli bir ortamda böyle bir birleşmenin optik bir imza vereceğini tahmin ediyor. yoğun bir parlama şeklinde.

Mevcut makalenin önemi budur: Graham ve diğerleri. modellerinin doğru olabileceğine dair ilk olası kanıtı bulmuşlardır. Bu durumda, LIGO'nun 21 Mayıs 2019'da (S190521g olarak adlandırılır) tespit ettiği bir ikili kara delik birleşmesiyle ilgilidir. Bu ikili sistem, bir galaksinin merkezindeki süper kütleli bir kara deliği çevreleyen toplanma diskinde oluşmuş olabilir.

Ortak yazar K.E. City University of New York Graduate Center'dan Saavik Ford, yığılma diskini kara delikler de dahil olmak üzere bir yıldız ve ölü yıldız sürüsüne benzetti. "Bu nesneler, merkezdeki korkunç kraliçe arının etrafında öfkeli arılar gibi üşüşüyorlar" dedi ve "Kısa süreliğine yerçekimi partnerleri bulabilir ve çiftleşebilirler, ancak genellikle partnerlerini çılgın dansta çabucak kaybederler. Ama süper kütleli bir kara deliğin diskinde, akan gaz, sürünün yosun çukurunu klasik bir minuet'e dönüştürür ve karadelikleri eşleşebilecekleri şekilde organize eder." Bu ikili çift nihayet birleştiğinde, oluşturdukları yeni, daha büyük kara delik güçlü bir vuruş alır ve astronomların teleskoplarıyla alabilecekleri parlak bir parlama üreterek tepki veren yığılma diskindeki gazın içinden geçer.

Gökbilimciler diğer birleşme türleri için optik imzalar ararken, bunu tipik olarak mümkün olduğunca çabuk yaparken, LIGO/VIRGO bir kara delik-karadelik birleşmesi olayı bildirdiği anda, "görsel top parlamasının oluşması zaman alır" Graham, Ars'a söyledi. "Bunu gerçekten görmeden önce birkaç gün veya birkaç hafta bekleyebiliriz, bu yüzden çok farklı bir takip stratejisi."

Graham ve yardımcı yazarları, San Diego'daki Palomar Gözlemevi'ndeki 70 yaşındaki Samuel Oschin teleskopuna bağlı robotik bir kamera olan Zwicky Geçici Tesisi (ZTF) kullanarak böyle bir optik imzanın kanıtı için gece gökyüzünü araştırmaya başladılar. İlçe, Kaliforniya. ZTF, gece gökyüzünde robotik araştırmalar yaparak, örneğin süpernovalar, kara delikler tarafından ezilen yıldızlar ve asteroitler ve kuyruklu yıldızlar gibi patlayan veya parlaklığı değişen nesneleri arar. Üç gece boyunca tüm gökyüzünü ve gökadanın görünen düzlemini her gece iki kez tarar, hatta koronavirüsün kapanması sırasında bile.

LIGO'nun 21 Mayıs'taki tespitinden sonraki günler ve haftalar içinde toplanan verilerde gizlenen, tam da böyle bir sinyaldi ve takip eden ay boyunca solmayı yavaşlattı. Süper kütleli kara delik, Graham'a göre yaklaşık 100 milyon güneş kütlesidir - yaklaşık Dünya'nın yörüngesinin büyüklüğü. Birleşen ikili kara delikler, Manhattan veya Long Island'ın büyüklüğüne benzeyen yaklaşık 50 güneş kütlesiydi. Yeni, daha büyük kara deliğe verilen tekme gelince, saatte yaklaşık 500.000 mil hızla ilerliyor. Graham, "Yani bunlar önemli enerji sistemleridir" dedi.

Graham, "Parlama, yerçekimi dalgası olayıyla çakışmak için doğru zaman ölçeğinde ve doğru yerdeydi" dedi, ancak parlamanın ikili siyahtan başka bir şey tarafından üretilme olasılığının hala olduğunu kabul ediyor. delik birleştirme En bariz alternatif adayları elemek için de iyi nedenler var.

Graham, örneğin, "süper kütleli kara delik [bunun için] çok büyük ve doğru görünmüyor" dışında bir gelgit bozulma olayı olabilir. Ve enerjiler bir süpernova için doğruyken, "zamanın evrimi yanlış ve şekil özellikle doğru görünmüyor" dedi. Daha az olası bir olasılık, flaşın daha önce hiç gözlemlenmemiş bir kuasarın toplanma diskine gömülü bir süpernova ile ortaya çıkmasıdır ve bu nedenle gökbilimciler için başlı başına oldukça ilgi çekici olacaktır.

Tabii ki, bu fenomenin gerçekleşmesi için koşulların tam olarak doğru olması gerekir. Graham'a göre, birleşen ikili kara delikler, yakınlardaki süper kütleli kara deliğe kıyasla küçük olsa da, yine de oldukça büyüktü. 50 yıldız kütle rejimindeki kara delikler tipik olarak bir süpernova patlamasından oluşmaz. Her birinin birbiriyle eşleşmeden önce bir başkasıyla birleşen daha küçük bir kara delik olarak başlamış olması çok daha olası. Graham, "Bu tür bir hiyerarşik birleşme modeli, evrende yalnızca birkaç tercih edilen yerde gerçekleşebilir" dedi. "Derin bir yerçekimi kuyusuna ihtiyacınız var ve süper kütleli bir kara delik size bunu sağlıyor. Hiyerarşik birleşmenin gerçekleşmesi için mükemmel bir ortam."

Graham, oradaki süper kütleli bir kara deliğin yığılma diskinde meydana gelen bu tür ikili kara delik birleşmelerinin daha fazla olabileceğini düşünüyor. Bu, bu olaylarla ilişkili daha güçlü parlamalar olabileceği anlamına geliyor ve astronomların, yönelimlerine bağlı olarak, bunların yüzde 25 ila 50'sini tespit edebileceklerini tahmin ediyor. Bu yeni model doğruysa, bu tür optik imzayı aramak, daha geniş çoklu-haberci astronomi bağlamında yeni bir gözlem stratejisi haline gelebilir.

Graham ve diğerleri. şu anda, daha fazlasını bulmayı umarak, işbirliğinin üçüncü çalışmasından bugüne kadar tespit edilen tüm LIGO olaylarıyla çakışan verileri üzerinde sistemik bir arama yürütüyorlar. Ve bu yeni oluşan kara delik, önümüzdeki birkaç yıl içinde, süper kütleli kara deliğin toplanma diskine tekrar girdiğinde, başka bir enerjik parlama üretmelidir.


Fiziği yeniden şekillendiren kara delik çarpışması

Uzaydan gelen çok önemli bir sinyal, kara delikler üzerinde onlarca yıldır yapılan teorileri doğruladı ve yerçekimi dalgası astronomisinde yeni bir çağı başlattı.

Olay, kozmik ölçekte bir felaketti - çevreleyen uzay ve zaman dokusunu şiddetle sarsan ve Evrende ışık hızında dalgalanan yerçekimi dalgaları olarak bilinen bir uzay-zaman titreşimi patlaması gönderen kara deliklerin birleşmesi.

Ancak bu, Dünya'daki fizikçilerin beklediği türden bir felaketti. 14 Eylül'de, bu dalgalar yeni geliştirilmiş Lazer İnterferometre Yerçekimi-Dalga Gözlemevi'ni (Gelişmiş LIGO) süpürdüğünde, Louisiana ve Washington eyaletindeki iki L-şekilli dedektöründen alınan okumalarda ani yükselmeler olarak ortaya çıktılar. Bilim adamları ilk kez bir yerçekimi dalgası sinyali kaydettiler.

"İşte oradaydı!" Illinois'deki Chicago Üniversitesi'nde astrofizikçi olan LIGO ekip üyesi Daniel Holz diyor. "Ve her iki dedektörde de çok güçlü ve çok güzeldi." Sinyalin şekli teoriden tanıdık gelse de Holz, “Verilerde bir şey gördüğünüzde tamamen farklıdır. Bu aşkın an”.

Meydana geldiği tarihten sonra resmi olarak GW150914 olarak adlandırılan ve keşfedenler tarafından gayri resmi olarak 'Olay' olarak bilinen sinyal, haklı olarak fizikte bir dönüm noktası olarak selamlandı. Albert Einstein'ın kütle ve enerjinin uzay-zamanı çarpıtabileceğini ve yerçekiminin böyle bir bükülmenin sonucu olduğunu savunan asırlık genel görelilik teorisi için zengin bir kanıt sağladı. Urbana-Champaign'deki Illinois Üniversitesi'nde göreliliğin bilgisayar simülasyonlarında uzman olan Stuart Shapiro, bunu “başlangıcından bu yana genel görelilik teorisinin en önemli teyidi” olarak adlandırıyor.

Ancak Olay, aynı zamanda, uzun zamandır vaat edilen yerçekimi dalgası astronomi çağının başlangıcına da işaret ediyor. Sinyalin ayrıntılı analizi, birleşen kara deliklerin doğası ve nasıl oluştukları hakkında şimdiden fikir verdi. Bunun gibi daha fazla olayla - LIGO ekibi, dedektörlerin Ocak ayında sona eren dört aylık çalışması sırasında yakalanan diğer birkaç aday olayı analiz ediyor - araştırmacılar, tıpkı yaptıkları gibi kara deliklerin kökenlerini sınıflandırabilecek ve anlayabilecekler. yıldızlarla.

Advanced LIGO'nun Avrupa'daki muadili, İtalya'nın Pisa yakınlarındaki Fransız-İtalyan liderliğindeki Advanced Virgo tesisi ile ortak gözlemlere başlamasının planlandığı Eylül ayından itibaren daha da fazla etkinlik ortaya çıkacak. (İki işbirliği halihazırda verileri bir araya topluyor ve makaleleri birlikte yayınlıyor.) Bu dedektör yalnızca olaylara önemli ayrıntılar katmakla kalmayacak, aynı zamanda astronomların kozmolojik mesafe ölçümlerini eskisinden daha doğru yapmasına da yardımcı olabilir.

Almanya, Hannover'deki Max Planck Yerçekimi Fiziği Enstitüsü'nün genel müdürü Bruce Allen, “Önümüzdeki birkaç yıl için gerçekten iyi bir yolculuk olacak” diyor.

1960'lardaki çalışmaları teorinin temellerini atmaya yardımcı olan Birleşik Krallık'taki Oxford Üniversitesi'nde teorik fizikçi ve matematikçi olan Roger Penrose, "Birbirlerine çarptığını gördükleri daha fazla kara delik, daha eğlenceli olacak" diyor. nesnelerden. “Birdenbire, Evrene bakmanın yeni bir yolunu bulduk.”

Fizikçiler onlarca yıldır yörüngedeki her bir cisim çiftinin yerçekimi dalgalarının kaynağı olduğunu biliyorlar. Einstein'ın denklemlerine göre her dönüşte dalgalar yörünge enerjilerinin çok küçük bir kısmını alıp götürecek. Bu, nesnelerin birbirine biraz daha yakın hareket etmesine ve biraz daha hızlı yörüngede dönmesine neden olacaktır. Ay ve Dünya gibi tanıdık çiftler için, bu tür enerji kaybı milyarlarca yıllık zaman dilimlerinde bile algılanamaz.

Ancak çok yakın yörüngelerdeki yoğun nesneler çok daha hızlı enerji kaybedebilir. 1974'te, Massachusetts Amherst Üniversitesi'nden radyo astronomları Russell Hulse ve Joseph Taylor, tam da böyle bir sistem buldular: birbirinin etrafında yörüngede dönen bir çift yoğun nötron yıldızı. Yıllar geçtikçe, bilim adamları bu 'ikili pulsarın' enerji kaybettiğini ve tam olarak Einstein'ın teorisinin öngördüğü gibi içe doğru döndüğünü keşfettiler.

LIGO tarafından tespit edilen iki kara delik, sona ulaşmadan önce milyarlarca olmasa da milyonlarca yıldır muhtemelen bu şekilde enerji kaybediyordu. Ancak LIGO, dalganın frekansının saniyede 30 döngünün (hertz) üzerine çıktığı - saniyede 15 tam kara delik yörüngesine karşılık gelen - 14 Eylül'de Koordineli Evrensel Saat 9:50:45'e kadar onlardan gelen yerçekimi dalgalarını kaydetmedi. ve nihayet dedektörlerin onu arka plan gürültüsünden ayırt edebilmesi için yeterince yüksekti.

Ancak daha sonra, sadece 0,2 saniyede LIGO, sinyalin 250 hertz'e yükselmesini izledi ve kara delikler son 5 yörüngelerini yaparken, ışık hızının yarısı kadar yörünge hızlarına ulaştıklarında ve tek bir büyük nesnede birleştiklerinde aniden ortadan kayboldular (bkz. dalgayı yaptı').

LIGO ve Virgo ekipleri kısa sürede mümkün olan her türlü bilgiyi çıkarmak için işe koyuldular. En temel düzeyde, sinyal onlara bir varoluş kanıtı verdi: nesnelerin birleşmeden önce birbirine bu kadar yaklaşması, karadelik olmaları gerektiği anlamına geliyordu, çünkü sıradan yıldızların çok daha büyük olması gerekiyordu. Penrose, “Kara deliklerin gerçekten orada olduğunun en açık göstergesi olduğunu düşünüyorum” diyor.

Sinyal ayrıca araştırmacılara, göreceli olarak daha az uzay-zaman bükülmesinin olduğu bölgelerin ötesinde - ikili pulsarın etrafındaki boşluk da dahil olmak üzere - ilk ampirik genel görelilik testini sağladı. Shapiro, teorinin karadeliklerin birleştiği aşırı enerjilerde geçerliliğini koruyacağına dair hiçbir ampirik kanıt olmadığını söylüyor - ama yaptı.

Sinyal ayrıca daha ayrıntılı bir bilgi hazinesi de içeriyordu. Bilim adamları, son afetten hemen önce şeklini inceleyerek, sürekli artan frekans ve genliğe sahip basit bir sinüs dalgasına çok yakın olduğunu buldular. İngiltere'deki Cardiff Üniversitesi'nde teorik bir fizikçi ve kıdemli bir LIGO araştırmacısı olan BS Sathyaprakash'a göre, bu model kara deliklerin yörüngelerinin neredeyse dairesel olduğunu ve LIGO'nun muhtemelen dairelerin kuşbakışı görünümüne sahip olduğunu, neredeyse neredeyse kenardan ziyade üzerlerine doğru.

Buna ek olarak, LIGO ve Virgo ekipleri, iki kara deliğin kütlelerini tahmin etmek için, gözlemlenen dalganın frekansını, hızlanma oranıyla birlikte kullanabildiler: çünkü daha ağır nesneler, yerçekimi dalgaları şeklinde enerjiyi daha hızlı yayar. Daha hafif nesnelerden daha hızlı, perdeleri daha hızlı yükselir.

Olayı bilgisayar simülasyonlarıyla yeniden yaratan bilim adamları, iki kara deliğin sırasıyla Güneş kütlesinin yaklaşık 36 katı ve 29 katı olduğunu ve birleşik kara deliğin yaklaşık 62 güneş kütlesi 1 ağırlığında olduğunu hesapladılar. Yaklaşık üç Güneş değerindeki kayıp fark, yerçekimi radyasyonu olarak dağıldı - çoğu, birleştirilmiş kara deliğin küresel bir şekle yerleştiği fizikçilerin "çaldırma" aşaması dediği şey sırasında. (Karşılaştırma için, şimdiye kadar patlatılan en güçlü termonükleer bomba, sadece yaklaşık 2 kilogram maddeyi enerjiye dönüştürdü - kabaca 10 30 kat daha az.) Ekipler ayrıca, son kara deliğin, marjı olmasına rağmen, belki de saniyede 100 devirde döndüğünden şüpheleniyor. bu tahmindeki hata büyük.

İki kara deliğin çıkarsanan kütleleri de ortaya çıkıyor. Her nesne muhtemelen çok büyük bir yıldızın kalıntısıydı, daha büyük yıldız Güneş'in kütlesinin 100 katına yaklaşan ve daha küçük olan biraz daha azdı. Termonükleer reaksiyonların, bu tür yıldızların çekirdeklerindeki hidrojeni, daha hafif yıldızlara göre çok daha hızlı bir şekilde helyuma dönüştürdüğü bilinmektedir; bu, onların doğduktan sadece birkaç milyon yıl sonra kendi ağırlıkları altında çökmelerine neden olur. Bu çöküşün açığa çıkardığı enerji, geride bir nötron yıldızına veya yeterince büyükse bir karadeliğe dönüşen artık bir çekirdek bırakan tip II süpernova adı verilen bir patlamaya neden olur.

Bilim adamları, tip II süpernovaların yaklaşık 30 güneş kütlesinden çok daha büyük kara delikler üretmemesi gerektiğini söylüyor ve her iki kara delik de bu aralığın en üst noktasındaydı. Bu, sistemin, Galaksimizde tipik olarak bulunanlardan hidrojen ve helyum bakımından daha zengin olan ve gökbilimcilerin metal dediği ağır elementler bakımından daha fakir olan yıldızlararası gaz bulutlarından oluştuğu anlamına gelebilir.

Hollanda'daki Radboud Üniversitesi Nijmegen'de astronom ve Advanced Virgo işbirliğinin bir üyesi olan Gijs Nelemans, astrofizikçiler, bu tür düşük metalik bulutlardan oluşan yıldızların patladıklarında büyük kara delikler oluşturmak için daha kolay zamana sahip olmaları gerektiğini hesapladılar. Bunun nedeni, bir süpernova patlaması sırasında, daha küçük atomların patlama tarafından havaya uçurulma olasılığının daha düşük olmasıdır. Nelemans, düşük metalikliğe sahip yıldızların “daha ​​az kütle kaybettiğini, dolayısıyla daha fazlasının aynı başlangıç ​​kütlesi için kara deliğe gittiğini” söylüyor.

Fakat bu iki kara delik, ikili bir sistemde nasıl ortaya çıktı? Keşfi bildiren makaleyle aynı zamanda yayınlanan bir makale 2'de, LIGO ve Virgo ekipleri yaygın olarak kabul edilen iki senaryoyu tanımladı.

En basiti, iki büyük yıldızın, çift sarılı bir yumurta gibi aynı yıldızlararası gaz bulutundan oluşan ve o zamandan beri birbirlerinin yörüngesinde dönen bir ikili yıldız sistemi olarak doğmuş olmasıdır. (Bu tür ikili yıldızlar, Güneş gibi tekil yıldızlarda, kuraldan ziyade istisnadır.) Birkaç milyon yıl sonra, yıldızlardan biri yanar ve süpernovaya dönüşür, yakında diğeri onu takip ederdi. Sonuç, ikili bir kara delik olacaktır.

İkinci senaryo, yıldızların bağımsız olarak oluştu, ancak yine de aynı yoğun yıldız kümesinin içinde - belki de Samanyolu'nun yörüngesindeki küresel kümelere benzer bir tanesi. Böyle bir kümede, büyük kütleli yıldızlar merkeze doğru batacak ve daha hafif yıldızlarla karmaşık etkileşimler yoluyla, muhtemelen kara deliklere dönüşmelerinden çok sonra ikili sistemler oluşturacaktır.

Kara deliklerin gerçekten orada olduğunun en açık göstergesi bence.

Hollanda'daki Leiden Üniversitesi'nde astrofizikçi olan Simon Portegies Zwart tarafından yapılan simülasyonlar3, büyük kütleli yıldızların çarpışmaların ve birleşmelerin daha yaygın olduğu yoğun kümelerde oluşma olasılığının daha yüksek olduğunu gösteriyor. Ayrıca ikili bir kara delik sistemi oluştuğunda, kümenin merkezinin karmaşık dinamiklerinin muhtemelen çifti yüksek hızda fırlatacağını da buluyor. Advanced LIGO'nun tespit ettiği ikili, birleşmeden önce milyarlarca yıl boyunca herhangi bir galaksiden uzaklaşmış olabilir, diyor.

LIGO ve Virgo ekipleri Etkinlikten çok şey öğrenebilmiş olsalar da, kara delik birleşmeleri durumunda bile yerçekimi dalgalarının onlara öğretebileceği çok daha fazla şey var. Dedektörler, kara deliklerin birleşmesinden hemen sonra dalgaların ortaya çıkan kara delik simetrik bir şekle yerleşirken hızla öldü. Bu, teorik fizikçi C. V. Vishveshwara'nın 1970'lerin başında, "yerçekimi dalgalarının ve kara deliklerin her ikisinin de mitoloji alemine ait olduğu" bir dönemde yaptığı tahminlerle tutarlıdır. Hindistan, Bangalore'deki Jawaharlal Nehru Planetaryumu'nun fahri direktörü Vishveshwara, “O zaman, bunun doğrulanacağını hayal etmemiştim” diyor.

Ancak LIGO, sinyal arka plan gürültüsüne bir kez daha gömülmeden önce Etkinliğin geri çekilme dalgalarının yalnızca bir döngüsünün biraz üzerinde gördü - henüz Vishveshwara'nın tahminlerinin titiz bir testini sağlamak için yeterli veri yok.

More-stringent tests will be possible if and when LIGO detects black-hole mergers that are larger than this one, or that occur closer to Earth than the Event's estimated distance of 1.3 billion light years, and thus give 'louder' waves that stay above the noise for longer.

Alessandra Buonanno, a LIGO theorist and director of the Max Planck Institute for Gravitational Physics in Potsdam-Golm, Germany, says that a more detailed picture of the ringdown stage could reveal how fast the final black hole rotates, as well as whether its formation gave it a 'natal kick', imparting a high velocity.

In addition, says Sathyaprakash, “we are especially waiting for systems that are much lighter, so they last longer”. Such events could include the mergers of lighter binary black holes, of binary neutron stars or of a black hole with a neutron star. Each type would deliver its own signature chirp, and could produce a signal that stays above LIGO's threshold of sensitivity for several minutes or more.

“GW150914 is in some sense a very vanilla system,” says Chad Hanna, a LIGO member at Pennsylvania State University in University Park. “It's beautiful, of course, but it doesn't have all the crazy things that one might expect.”

One phenomenon that Sathyaprakash is eager to observe is a 'precession' of the black holes' orbital plane, meaning that their paths trace a kind of 3D rosette. This is a relativistic effect that has no counterpart in Newtonian gravity, and it should produce a characteristic fluctuation in the strength of the gravitational waves. But orbital precession occurs only when two black holes have axes of rotation that point in random directions, and it disappears when the axes are both perpendicular to the orbital plane. The occurrence of a precession could provide clues to how the black holes formed.

It's hard to be sure about that possibility because there are many uncertainties in simulating supernovas. But astrophysicists suspect that parallel spins generally signify that the original two stars were born together out of the same whirling gas cloud. Similarly, they think that random spins result from black holes that formed separately and later fell into orbit around each other. Once the observatories find more mergers, they may be able to determine which type of system occurs more frequently.

Although detecting more events will help LIGO to do lots of science, its interferometers have intrinsic limitations that make it necessary to work together with a worldwide network of similar detectors that are now coming online.

First, LIGO's two interferometers are not enough for scientists to determine precisely where the waves came from. The researchers can get some information by comparing the signal's time of arrival at each detector: the difference enables them to calculate the wave's direction relative to an imaginary line drawn between the two. But in the case of the Event, which recorded a difference of 6.9 milliseconds, their calculations limited the field of possibilities merely to a wide strip of southern sky.

Had Virgo been online, the scientists could have narrowed down the direction substantially by comparing the waves' arrival times at three places. With a fourth interferometer (Japan is building an underground one called KAGRA, for Kamioka Gravitational-Wave Detector, and India has its own LIGO in planning), their precision would improve much more.

Knowing an event's direction will in turn remove one of the biggest uncertainties in determining its distance from Earth. Waves that approach from a direction exactly perpendicular to the detector — either from above or from below, through Earth — will be recorded at their actual amplitude, explains Fulvio Ricci, a physicist at the University of Rome La Sapienza and the spokesperson for Virgo. Waves that come from elsewhere in the sky, however, will hit the detector at an angle and produce a somewhat smaller signal, according to a known formula. There are even some blind spots, where a source cannot be seen by a given detector at all.

Determining the direction will therefore reveal the exact amplitude of the waves. By comparing that figure with the waves' amplitude at the source, which the researchers can derive from the shape of the signal, and by knowing how the amplitude decreases with distance, which they get from Einstein's theory, they can then calculate the distance of the source to a much higher precision.

This situation is almost unprecedented: conventionally, astronomical distances need to be estimated by looking at the brightness of known objects in locations that range from the Solar System to distant galaxies. But the measured brightness of those 'standard candles' can be dimmed by stuff in between. Gravitational waves have no such limitation.

There is another important reason why scientists are eager to have precise estimates of the waves' provenance. The LIGO and Virgo teams have arranged to give near-real-time alerts of intriguing events to more than 70 teams of conventional astronomers, who will use their optical, radio and space-based telescopes to see whether those events produced any form of electromagnetic radiation. In return, the LIGO and Virgo collaborations will be sifting through data to search for gravitational waves that could have been generated by events, such as supernova explosions, seen by the conventional observatories.

Some 20 teams tried to follow up on the Event, mostly to no avail. NASA's Fermi Gamma-ray Space Telescope did see a possible burst of γ-rays about 0.4 seconds later, coming from an equally vague but compatible region of the southern sky 4 . But most observers now consider it to be a coincidence. Such γ-rays could, in principle, have been produced when gas orbiting the binary black hole was heated up during the merger, says Vicky Kalogera, a LIGO astrophysicist at Northwestern University in Evanston, Illinois. But “our astrophysical expectation has been that the gas from stars that formed the binary black hole has long dispersed. There shouldn't be any significant gas around”, she says.

Going forward, however, matching gravitational waves with electromagnetic ones could usher in a new era of astronomy. In particular, mergers of neutron stars are expected to produce short γ-ray bursts. Researchers could then measure how far the light from those bursts is shifted towards the red end of the spectrum, which would tell astronomers how fast the stars' host galaxies are receding owing to the expansion of the Universe.

Matching those redshifts to distance measurements calculated from gravitational waves should give estimates of the current rate of cosmic expansion, known as the Hubble constant, that are independent — and potentially more precise — than calculations using current methods. “From the point of view of measuring the Hubble constant, that's our gold-plated source”, says Holz.

The LIGO and Virgo teams estimate that they have a 90% chance of finding more events in the data that LIGO has already collected. They are confident that by the time the next run finishes, the event count will be at least 5, growing to perhaps 35 by the end of a run scheduled to start in 2017.

“To be honest,” says Holz, “I find it really hard to believe that the Universe is really doing this stuff. But it's not science fiction. It really happened.”


These Black Holes Shouldn’t Exist, but There They Are

On the far side of the universe, a collision of dark giants sheds light on an invisible process of cosmic growth.

Well, that was some clash of the heavyweights.

Astronomers reported on Wednesday that they had detected the loudest, most massive and most violent collision yet between a pair of black holes. Two Goliaths of darkness crashed into each other seven billion years ago, vibrating space-time and producing a loud, sharp chirp — almost a bang, one astronomer said — lasting just a tenth of a second in the antennas of the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory and the Virgo interferometer observatory.

That short signal from a galaxy far, far away has left astrophysicists with new questions about how black holes form and grow.

Daniel Holz, a theorist at the University of Chicago and a member of the LIGO team, called the new discovery “the first LIGO/Virgo detection that’s truly surprising. All the other binary systems that we’ve detected fit reasonably well within expectations. But the black holes in this event aren’t supposed to exist!”

One and perhaps both of the colliding holes were too massive to have been produced by the collapse of a star, according to conventional theories. Moreover, the merger created an even larger black hole, 142 times as massive as the sun, belonging to a whole new category of intermediate-mass, or “missing link,” black holes never reliably seen before.

“Another discovery from the worldwide gravitational-wave detector network that rewrites what we know about our universe,” Zsuzsanna Marka, an astrophysicist at Columbia University who works on LIGO, wrote in an email.

Janna Levin, a cosmologist at Barnard College who is not part of the LIGO group, added: “Yes! I’ve been waiting for something like this since I first became interested in gravitational waves.”

The event unfolded at an almost unimaginable distance from Earth — in a spot that is now 17 billion light-years away according to standard cosmological calculations that describe an expanding universe. One black hole with 85 times the mass of the sun, and a second with 66 solar masses, smashed together, creating a black hole 142 times as massive as the sun.

Another eight or so suns’ worth of mass and energy disappeared into gravitational waves, ripples of the space-time fabric, in a split-second of cosmic frenzy, ringing the universe like a bell on the morning of May 21, 2019.

An international team of scientists who compose the LIGO Scientific Collaboration and the Virgo Collaboration reported their findings in two papers published Wednesday in Physical Review Letters and The Astrophysical Journal Letters.

Their papers largely affirm a preliminary analysis of the event, known as GW190521 (after the date when it was recorded), made by a group outside the collaborations. In June a team led by Matthew Graham of the California Institute of Technology, going on publicly available data, ran a preliminary analysis, hoping to beat the LIGO and Virgo groups to the answer.

Using a telescope in California called the Zwicky Transient Facility, or Z.T.F., Dr. Graham’s team detected a flash of light that could have been caused by the newly formed black hole racing through a disk of dense gas surrounding the center of a faraway galaxy.

They predicted that a final analysis would show that the combined masses of the colliding black holes would exceed 100 solar masses, and that the resulting black hole would spin wildly and have a large recoil velocity.

“This is exactly what LIGO is now reporting,” Dr. Graham wrote in an email. “This is a great discovery from LIGO and provides strong evidence in support of the merger model and environment that we have been promoting.”

The discovery is another triumph for the infant branch of gravitational-wave astronomy, and for Virgo in Italy and the twin LIGO facilities in Washington State and Louisiana. Thirty years and $1 billion in the planning and making, the three laboratories use laser light, bouncing between mirrors in L-shaped arms, to detect submicroscopic stretching and compressing of space-time as gravitational waves pass by.

Only confrontations between the most massive denizens of the universe can shake space-time enough to be noticed by these antennas. Black holes are objects predicted by Albert Einstein to be so dense that not even light can escape them.

In September 2015, right after the LIGO antennas went into operation, a pair of colliding black holes was detected, proving both the existence of gravitational waves and of black holes. The discovery earned LIGO’s founders the Nobel Prize in Physics.

Since then, a taxonomy of black holes has emerged from the discovery of things banging together out there in the dark.

Most known black holes are the corpses of massive stars that have died and collapsed catastrophically into nothing: dark things a few times as massive as the sun. But galaxies harbor black holes millions or billions of times more massive than that. How these objects can grow so big is an abiding mystery of astronomy.

Until recently there had been scant evidence of black holes of intermediate sizes, with 100 to 100,000 solar masses. The black hole created in the GW190521 merger is the first solid example of this missing link.

“I was searching for heavy black holes for 15 years and here it is!” Sergey Klimenko, a physicist at the University of Florida, wrote in an email. “This discovery is a milestone in gravitational wave astronomy.”

As a result, he said, astronomers may have achieved a glimpse of the process by which the universe builds black holes in the dark, transforming pipsqueaks into rumbling leviathans like the one in the galaxy M87 that was the first ever imaged.

“This is the first and only firm/secure mass measurement of an intermediate mass black hole at the time of its birth,” Vicky Kalogera, an astrophysicist at Northwestern University, wrote in an email. “Now we know reliably at least one way” these objects can form, “through the merger of other black holes.”

This merger process could be an important clue to the origin of the heavier of the two black holes that collided in June. That black hole had a mass of 85 suns, and it should not have existed, according to standard astrophysical logic. Black holes with masses between about 50 and 120 suns cannot be formed, at least from a dying star, so the story and the calculations go.

In stars massive enough to make such a beastly hole, the interior grows so hot when collapsing that light spontaneously creates pairs of electrons and positrons. This makes the star even hotter, which produces more particles, in a runaway reaction that results in a particularly violent explosion called a pair-instability supernova. Such a conflagration leaves nothing behind.

“No neutron star,” Dr. Holz said. “No black hole. Nothing.”

He mentioned the black hole in GW190521 with 85 solar masses: “The bigger black hole is right smack in the middle of the region where black holes don’t belong. Nature seems to have ignored all of our careful theoretical calculations arguing that black holes of this mass don’t exist.”

He added: “A discovery like this is simultaneously disheartening and exhilarating. On the one hand, one of our cherished beliefs has been proven wrong. On the other hand, here’s something new and unexpected, and now the race is on to try to figure out what is going on.”

An engaging possibility, Dr. Holz and others say, is that the too-heavy hole was made of two smaller black holes that had collided and merged. In that case, the merger seen in June would have been a second- or even third-generation event, one in a hierarchical series of black hole mergers that eventually results in supermassive black holes.

Some astrophysicists think that such mergers are most likely to occur near the centers of galaxies, where supermassive black holes create swirling mosh pits of gas and other objects, and in which thousands of smaller black holes might congregate and breed. That is what Dr. Graham’s team had suggested.

But the flare that Dr. Graham’s group saw came from a galaxy about 8 billion light-years away, about half as far as the gravitational wave event GW190521, casting their identification of the source in doubt.

Nevertheless, many of the LIGO collaborators, including Dr. Kalogera, expressed sympathy with the idea that it is in such giant supermassive black hole mosh pits that bigger black holes are built. These arenas are known as active galactic nuclei, or A.G.N.s.

“I would love the Z.T.F. flash to be true,” Dr. Marka of Columbia said. “It is just more exciting.”

K. E. Saavik Ford, an astronomer at the American Museum for Natural History and a member of Dr. Graham’s team, called the new LIGO results very exciting.

“We’re super-grateful to them for all of their hard work, and gratified that they do address the A.G.N. scenario extensively in the ApJ paper,” she wrote in an email. “It is the full employment act for A.G.N. modelers!”


Some Black Holes Are Impossible In Our Universe

For the real black holes that exist or get created in our Universe, we can observe the radiation . [+] emitted by their surrounding matter, and the gravitational waves produced by the inspiral, merger, and ringdown phases. Although only a few X-ray binaries are known, LIGO and other gravitational wave detectors should be capable of filling in any mass gap ranges where black holes do abundantly exist.

LIGO/Caltech/MIT/Sonoma State (Aurore Simonnet)

If you take enough mass and compress it into a small enough volume of space, you’ll inevitably form a black hole. Any mass in the Universe will curve the fabric of spacetime around it, and the more severely curved that spacetime fabric is, the more difficult it is to escape from that mass’s gravitational pull. The smaller the volume becomes that your mass occupies, the faster you’d have to travel, at the edge of that object, to actually escape it.

At some point, the escape velocity you’d need to obtain would exceed the speed of light, which defines the critical threshold for forming a black hole. According to Einstein’s General Relativity, any mass in a small enough volume would be sufficient to form a black hole. But in our physical reality, there are real limitations that our Universe is subjected to, and not every mathematical possibility comes to fruition. Many of the black holes that we could imagine forming simply don’t in our Universe. To the best of our knowledge, here’s what’s impossible.

An illustration between the inherent uncertainty between position and momentum at the quantum level. . [+] The better you know or measure a particle's position, the less well you know its momentum, as well as vice versa. Both position and momentum are better described by a probabilistic wavefunction than by a single value.

E. SIEGEL / WIKIMEDIA COMMONS USER MASCHEN

Black holes have a quantum limit. Below a certain scale, reality is not what it seems. Instead of matter and energy having specific properties that are limited only by our ability to measure it, we’ve found that there are inherently uncertain relationships between various properties. If you measure a particle’s position, you’ll know its uncertainty inherently less well. If you measure its lifetime or its behavior over extremely short timescales, the less well-known you can inherently know its intrinsic energy, or even its rest mass.

There’s an inherent limit to how well you can know any two complementary quantities simultaneously, which is the key point of the Heisenberg uncertainty principle. Even empty space — if you were to remove all the various forms of matter and energy entirely — exhibits this uncertainty. Well, if you consider a distance scale of

10 -35 m or smaller, the amount of time it would take a photon to cross it would be minuscule:

10 -43 s. On those short timescales, the Heisenberg uncertainty principle tells you that your energy uncertainty is so large, it corresponds (via E = mc²) to a mass of about 22 micrograms: the Planck mass.

İnsan Manyetizması, Aşılar ve COVID-19'un Arkasındaki Filtrelenmemiş Gerçek

Açıklandı: Bu Haftanın 'Çilek Ayı' Neden Bu Kadar Alçak, Bu Kadar Geç Ve Çok Aydınlık Olacak?

Mars, Venüs ve "Süper Gündönümü Çilekli Ay" Alacakaranlıkta Parlıyor: Bu Hafta Gece Gökyüzünde Görebilecekleriniz

This visualization shows the fluctuations in the quantum vacuum under the strong interactions. On . [+] smaller distance scales and over smaller timescales, the fluctuations in energy and momentum can be larger. Once you go down to Planck-scale sizes and distances, the fluctuations are indistinguishable from black holes: a clear indication that physics has broken down.

If you had a black hole — a perfect singularity — whose mass was 22 micrograms, how large would its event horizon be? The answer is that same distance scale (the Planck length) you started off with:

10 -35 m. This fact illustrates why physicists say that the laws of reality “break down” at the Planck scale: the quantum fluctuations that must spontaneously occur are so large in magnitude, on scales so minuscule, that they’re indistinguishable from black holes.

But those black holes would immediately decay, as the evaporation time due to Hawking radiation would be less than the Planck time:

10 -43 s. We know that the laws of physics we have, both in quantum physics and in General Relativity, cannot be trusted on these small distance scales or on these tiny timescales. If that’s true, then we cannot accurately describe, with those same equations, a black hole whose mass is 22 micrograms or lower. That’s the quantum lower limit for how small a black hole can be in our Universe. Below it, any assertion we could make would be physically meaningless.

When a black hole is created of a very small mass, quantum effects arising from the curved spacetime . [+] near the event horizon will cause the black hole to rapidly decay via Hawking radiation. The lower the mass of the black hole, the more rapid the decay is.

Black holes below a certain mass would all have evaporated away by now. One of the remarkable lessons from applying quantum field theory in the space around black holes is this: black holes aren’t stable, but will emit energetic radiation, eventually leading to their complete evaporation. This process, known as Hawking radiation, will someday cause every black hole within the Universe to evaporate.

Although there’s a lot of confusion around why this happens — much of which can be traced back to Hawking himself — the key things you must understand are that:

  1. the radiation is caused by the difference in spacetime’s curvature near and far away from the black hole’s event horizon,
  2. and that the lower in mass your black hole is, the smaller its event horizon is, and therefore the larger the spatial curvature is at that critical location in space.

As a result, lower-mass black holes evaporate more quickly than higher-mass ones. If our Sun were a black hole, it would take 10 67 years to evaporate if the Earth were one, it would evaporate much more quickly: in just

10 51 years. Our Universe, since the hot Big Bang, has existed for about 13.8 billion years, meaning any black holes less massive than

10 12 kg, or around the mass of all the humans on Earth combined, would already have evaporated away entirely.

Just as a black hole consistently produces low-energy, thermal radiation in the form of Hawking . [+] radiation outside the event horizon, an accelerating Universe with dark energy (in the form of a cosmological constant) will consistently produce radiation in a completely analogous form: Unruh radiation due to a cosmological horizon.

ANDREW HAMILTON, JILA, UNIVERSITY OF COLORADO

Black holes below about

2.5 solar masses probably don’t exist. According to the laws of physics as we understand them, there are only a few ways that a black hole can be formed. You can take a large chunk of matter and let it gravitationally collapse if there’s nothing to stop or slow it down, it could collapse directly into a black hole. You could, alternatively, let a clump of matter contract down to form a star, and if that star’s core is massive enough, it can eventually implode, collapsing down to form a black hole. Finally, you can take a stellar remnant that didn’t quite make it — like a neutron star — and add mass, either through a merger or accretion, until it becomes a black hole after all.

In practice, we believe all of these methods occur, leading to the formation of the realistic black holes that form in our Universe. But below a certain mass threshold, none of these methods can actually give you a black hole.

The visible/near-IR photos from Hubble show a massive star, about 25 times the mass of the Sun, that . [+] has winked out of existence, with no supernova or other explanation. Direct collapse is the only reasonable candidate explanation.

We’ve seen clumps of matter suddenly “wink out” of existence, like stars that magically disappear. The most logical explanation, as well as the one that best fits the data, is that a fraction of stars do spontaneously collapse into a black hole. Unfortunately, they tend to be on the massive side: dozens of times as massive as our Sun at the very least.

Stars with massive cores do often end their lives in spectacular supernova explosions, where the cores of these stars do implode. If you’re born with about 800% or more of our Sun’s mass, you’re an excellent candidate for going supernova. The stars with less massive cores will eventually form neutron stars, with the more massive ones forming black holes. The heaviest neutron star ever discovered likely formed through this process, weighing in at 2.17 solar masses.

And finally, you can take object that are lighter than black holes — like the aforementioned neutron stars — and either allow them to accrete/siphon mass from a companion, or collide them with another massive, compact object. When they do, there’s a chance they could form a black hole.

Numerical relativity simulation of the last few milliseconds of two inspiraling and merging neutron . [+] stars. Higher densities are shown in blue, lower densities are shown in cyan. The final black hole is shown in gray you can identify the transition from neutron star to black hole by the change in color.

T. Dietrich (University of Potsdam), S. Ossokine, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Max Planck Institute for Gravitational Physics)]

Although there have been only two neutron star-neutron star mergers ever directly and definitively observed, they’ve been incredibly informative. The second one, with a combined mass of about 3.4 solar masses, went directly to a black hole. But the first one, which had a combined mass of more like 2.7 solar masses, revealed a far more complex story. For a few hundred milliseconds, this rapidly-spinning, post-merger mass behaved like a neutron star. All of a sudden, however, it switched to behaving like a black hole. After that transition, it never went back.

What we now believe occurred is that there’s a narrow mass range — somewhere between 2.5 and maybe 2.8 solar masses — where a collapsed objects like a neutron star can exist, but it requires a particularly high value for its rotation rate. If it drops below a critical value, and it will change its spin rate as it settles down to a more spherical shape, it will become a black hole. Below that lower value, there are only neutron stars and no black holes. Above that upper value, there are only black holes and no neutron stars. And in between, you can have both, but what you’ll ultimately wind up with depends on how fast the object is spinning.

The most massive black hole binary signal ever seen: OJ 287. This tight binary black hole system . [+] takes on the order of 11-12 years to complete an orbit. Despite making an orbit 1/5th of a light year in size (hundreds of times the Sun-Pluto distance), it should merge in just thousands of years.

What about heavier black holes? Is there a ‘gap’ where no black holes exist? Is there an upper limit to black hole masses? Black holes can get much, much heavier than just a few times the mass of our Sun. Initially, there were theoretical concerns that there might be a “gap” where black holes didn’t exist that appears to conflict with the data we now have after

6 years of advanced LIGO. There was a worry that intermediate mass black holes might not exist, as they’ve proven very difficult to find. However, they now appear to be out there as well, with superior data confidently revealing numerous examples.

There will be a limit to how big they can get, however, although we haven’t hit it just yet. Black holes approaching 100 billion solar masses have been found, and we even have our first candidate for crossing that vaunted threshold. As galaxies evolve, merge, and grow, so too can their central black holes. Far into the future, some galaxies may grow their black holes as large as

100 trillion (10 14 ) solar masses: 1000 times larger than today’s largest black hole. Owing to dark energy, which drives distant galaxies apart in the expanding Universe, we fully expect that no black holes will ever grow substantially larger than this value.

Constraints on dark matter from Primordial Black Holes. There is an overwhelming set of pieces of . [+] evidence that indicate there is not a large population of black holes created in the early Universe that comprise our dark matter.

Fig. 1 from Fabio Capela, Maxim Pshirkov and Peter Tinyakov (2013), via http://arxiv.org/pdf/1301.4984v3.pdf

What about primordial black holes: black holes that formed directly after the Big Bang? This is a sticky one, because there’s no evidence that they exist. Observationally, many constraints have been placed on the idea, which has been around since the 1970s. When the Universe was born, we know some regions were denser than others. If one region was born with a density that was just

68% greater than average, that entire region should inevitably collapse to form a black hole. While their masses can’t be less than

10 12 kg, they could, in theory, have any value that’s larger.

Unfortunately, we have the fluctuations in the cosmic microwave background to guide us. These temperature fluctuations correspond to the overdense and underdense regions in the early Universe, and show us that the overdense regions are only about

0.003% denser than average. It’s true: these are on larger scales than the ones we’d look for black holes on. But with no compelling theoretical motivation for them, and no observational evidence in their favor, this idea remains purely speculative.

When matter collapses, it can inevitably form a black hole. Penrose was the first to work out the . [+] physics of the spacetime, applicable to all observers at all points in space and at all instants in time, that governs a system such as this. His conception has been the gold standard in General Relativity ever since.

Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

For a long time, the very notion of black holes was highly contentious. For about 50 years after they were first derived in General Relativity, no one was sure whether they could physically exist in our Universe. Roger Penrose’s Nobel-winning work demonstrated how their existence was possible just a few years later, we discovered the first black hole in our own galaxy: Cygnus X-1. Now the floodgates are open, with stellar-mass, intermediate-mass, and supermassive black holes all known in great and ever-increasing numbers.

But there’s a lower limit to black holes in the Universe: we believe that none exist below about 2.5 times the mass of the Sun. Additionally, while the heaviest black holes today are right around 100 billion solar masses, they’ll eventually grow to be up to 1000 times as heavy as that. Studying black holes provides us with a unique window into the physics of our Universe and the nature of gravity and spacetime themselves, but they can’t reveal everything. In our Universe, some black holes truly are impossible.


Astronomy Picture of the Day

Discover the cosmos! Each day a different image or photograph of our fascinating universe is featured, along with a brief explanation written by a professional astronomer.

2021 April 11
When Black Holes Collide
Video Credit & Copyright: Simulating Extreme Spacetimes Collaboration

Açıklama: What happens when two black holes collide? This extreme scenario occurs in the centers of many merging galaxies and multiple star systems. The featured video shows a computer animation of the final stages of such a merger, while highlighting the gravitational lensing effects that would appear on a background starfield. The black regions indicate the event horizons of the dynamic duo, while a surrounding ring of shifting background stars indicates the position of their combined Einstein ring. All background stars not only have images visible outside of this Einstein ring, but also have one or more companion images visible on the inside. Eventually the two black holes coalesce. The end stages of such a merger is now known to produce a strong blast of gravitational radiation, providing a new way to see our universe.

This Week is: Black Hole Week at NASA
Tomorrow's picture: flame without fire