Τον Ιανουάριο του 2016, οι ερευνητές στο Παρατηρητήριο Βαρυτικών Κυμάτων Laser Interferometer (LIGO) έγραψαν ιστορία όταν ανακοίνωσαν την πρώτη ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων. Υποστηριζόμενη από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών (NSF) και λειτουργεί από τους Caltech και MIT, το LIGO είναι αφιερωμένο στη μελέτη των κυμάτων που προβλέπονται από τη Θεωρία της Γενικής Σχετικότητας του Αϊνστάιν και προκαλούνται από συγχωνεύσεις μαύρων οπών.
Σύμφωνα με μια νέα μελέτη μιας ομάδας αστρονόμων από το Κέντρο Κοσμολογίας στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια Irvine, τέτοιες συγχωνεύσεις είναι πολύ πιο συχνές από ό, τι νομίζαμε. Αφού διεξήγαγε μια έρευνα για τον κόσμο που είχε ως στόχο τον υπολογισμό και την κατηγοριοποίηση των μαύρων οπών, η ομάδα του UCI διαπίστωσε ότι θα μπορούσαν να υπάρχουν έως και 100 εκατομμύρια μαύρες τρύπες στον γαλαξία, ένα εύρημα που έχει σημαντικές επιπτώσεις στη μελέτη των βαρυτικών κυμάτων.
Η μελέτη που περιγράφει λεπτομερώς τα ευρήματά τους, με τίτλο «Μετρώντας μαύρες τρύπες: Ο κοσμικός αστρικός υπόλοιπος πληθυσμός και επιπτώσεις για το LIGO», εμφανίστηκε πρόσφατα στο Μηνιαίες ειδοποιήσεις της Βασιλικής Αστρονομικής Εταιρείας. Με επικεφαλής τον Oliver D. Elbert, μεταπτυχιακό φοιτητή στο τμήμα Φυσικής και Αστρονομίας στο UC Irvine, η ομάδα διεξήγαγε μια ανάλυση των σημάτων κύματος βαρύτητας που έχουν ανιχνευθεί από το LIGO.
Η μελέτη τους ξεκίνησε περίπου ενάμιση χρόνο πριν, λίγο μετά την ανακοίνωση της LIGO για την πρώτη ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων. Αυτά τα κύματα δημιουργήθηκαν από τη συγχώνευση δύο απομακρυσμένων μαύρων οπών, καθεμία από τις οποίες ισοδυναμούσε μάζα με περίπου 30 Ήλιους. Όπως εξήγησε ο James Bullock, καθηγητής φυσικής και αστρονομίας στο UC Irvine και συν-συγγραφέας στο έγγραφο, σε ένα δελτίο τύπου του UCI:
«Βασικά, η ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων ήταν μια τεράστια συμφωνία, καθώς ήταν μια επιβεβαίωση μιας βασικής πρόβλεψης της γενικής θεωρίας της σχετικότητας του Αϊνστάιν. Αλλά μετά κοιτάξαμε πιο κοντά την αστροφυσική του πραγματικού αποτελέσματος, μια συγχώνευση δύο μαύρων οπών 30 ηλιακής μάζας. Αυτό ήταν απλώς εκπληκτικό και μας είχε ζητήσει, «Πόσο συχνές είναι οι μαύρες τρύπες αυτού του μεγέθους και πόσο συχνά συγχωνεύονται;» »
Παραδοσιακά, οι αστρονόμοι ήταν της άποψης ότι οι μαύρες τρύπες θα είχαν συνήθως την ίδια μάζα με τον Ήλιο μας. Ως εκ τούτου, προσπάθησαν να ερμηνεύσουν τις πολλαπλές ανιχνεύσεις κύματος βαρύτητας που έγιναν από τη LIGO σε ό, τι είναι γνωστό για τον σχηματισμό γαλαξιών. Πέρα από αυτό, προσπάθησαν επίσης να δημιουργήσουν ένα πλαίσιο για την πρόβλεψη μελλοντικών συγχωνεύσεων μαύρων τρυπών.
Από αυτό, κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι ο Γαλαξίας Γαλαξίας θα φιλοξενούσε έως και 100 εκατομμύρια μαύρες τρύπες, εκ των οποίων 10 εκατομμύρια θα είχαν εκτιμώμενη μάζα περίπου 30 ηλιακών μαζών - δηλαδή παρόμοια με εκείνες που συγχωνεύθηκαν και δημιούργησαν τα πρώτα βαρυτικά κύματα που εντοπίστηκαν από LIGO το 2016. Εν τω μεταξύ, οι γαλαξίες νάνων - όπως ο Ντράνος Ντράκο, ο οποίος περιστρέφεται σε απόσταση περίπου 250.000 ly από το κέντρο του γαλαξία μας - θα φιλοξενήσει περίπου 100 μαύρες τρύπες.
Προσδιόρισαν περαιτέρω ότι σήμερα, οι περισσότερες μαύρες τρύπες χαμηλής μάζας (~ 10 ηλιακές μάζες) κατοικούν σε γαλαξίες 1 τρισεκατομμυρίου ηλιακών μαζών (μαζικοί γαλαξίες) ενώ οι μαζικές μαύρες τρύπες (~ 50 ηλιακές μάζες) κατοικούν σε γαλαξίες που έχουν περίπου 10 δισεκατομμύρια ηλιακές μάζες (δηλαδή γαλαξίες νάνων). Αφού εξέτασαν τη σχέση μεταξύ της μάζας του γαλαξία και της αστρικής μεταλλικότητας, ερμήνευσαν τον αριθμό των μαύρων τρυπών ενός γαλαξία ως συνάρτηση της αστρικής μάζας του.
Επιπλέον, προσπάθησαν επίσης να προσδιορίσουν πόσο συχνά εμφανίζονται μαύρες τρύπες σε ζεύγη, πόσο συχνά συγχωνεύονται και πόσο καιρό θα χρειαστεί. Η ανάλυσή τους έδειξε ότι μόνο ένα μικρό κλάσμα μαύρων οπών θα χρειαζόταν να συμμετάσχει σε συγχωνεύσεις για να ικανοποιήσει αυτό που παρατήρησε η LIGO. Προσέφερε επίσης προβλέψεις που έδειξαν πώς θα μπορούσαν να συγχωνευθούν ακόμη μεγαλύτερες μαύρες τρύπες μέσα στην επόμενη δεκαετία.
Όπως εξήγησε ο Manoj Kaplinghat, επίσης καθηγητής φυσικής και αστρονομίας του UCI και ο δεύτερος συν-συγγραφέας της μελέτης:
«Δείχνουμε ότι μόνο 0,1 έως 1 τοις εκατό των μαύρων οπών που σχηματίστηκαν πρέπει να συγχωνευθούν για να εξηγήσουν τι είδε ο LIGO. Φυσικά, οι μαύρες τρύπες πρέπει να πλησιάσουν αρκετά για να συγχωνευτούν σε εύλογο χρόνο, κάτι που είναι ανοιχτό πρόβλημα… Εάν οι τρέχουσες ιδέες για την αστρική εξέλιξη είναι σωστές, τότε οι υπολογισμοί μας δείχνουν ότι οι συγχωνεύσεις ακόμη και των μαύρων οπών 50 ηλιακών μάζων θα να εντοπιστεί σε λίγα χρόνια. "
Με άλλα λόγια, ο γαλαξίας μας θα μπορούσε να είναι γεμάτος μαύρες τρύπες και συγχωνεύσεις θα μπορούσαν να συμβαίνουν σε τακτική βάση (σε σχέση με τα κοσμολογικά χρονοδιαγράμματα). Ως εκ τούτου, μπορούμε να αναμένουμε ότι θα γίνουν πολύ περισσότερες ανιχνεύσεις κύματος βαρύτητας τα επόμενα χρόνια. Αυτό δεν πρέπει να προκαλεί έκπληξη, δεδομένου ότι ο LIGO έκανε δύο επιπλέον ανιχνεύσεις από το χειμώνα του 2016.
Με πολλούς περισσότερους αναμενόμενους να έρθουν, οι αστρονόμοι θα έχουν πολλές ευκαιρίες να μελετήσουν συγχωνεύσεις μαύρων οπών, για να μην αναφέρουμε τη φυσική που τους οδηγεί!
