2016. aasta jaanuaris tegid Laser Interferomeetri gravitatsioonilainete vaatluskeskuse (LIGO) teadlased ajalugu, kui nad teatasid gravitatsiooniliste lainete esmakordsest avastamisest. LIGO, mida toetab Riiklik Teadusfond (NSF) ning mida haldavad Caltech ja MIT, on pühendatud Einsteini üldise relatiivsusteooria ennustatavate ja musta auguga ühinemiste põhjustatud lainete uurimisele.
California Irvine'i ülikooli kosmoloogiakeskuse astronoomide meeskonna uue uuringu kohaselt on sellised ühinemised palju tavalisemad, kui me arvasime. Pärast mustade aukude arvutamiseks ja kategoriseerimiseks mõeldud kosmose uuringu tegemist määras UCI meeskond, et galaktikas võib olla kuni 100 miljonit musta auku - leid, millel on oluline mõju gravitatsiooniliste lainete uurimisele.
Nende järeldusi üksikasjalikult kirjeldav uuring pealkirjaga „Mustade aukude loendamine: kosmiliste tähejääkide populatsiooni mõju LIGOle“ ilmus hiljuti Kuningliku Astronoomiaühingu igakuised teated. UC Irvine'i füüsika ja astronoomia osakonna järeldoktorandi Oliver D. Elberti juhitud meeskond viis läbi LIGO tuvastatud gravitatsioonilainete signaalide analüüsi.
Nende uuring algas umbes poolteist aastat tagasi, varsti pärast seda, kui LIGO teatas gravitatsioonilainete esimesest avastamisest. Need lained loodi kahe kauge musta augu ühendamise teel, millest igaüks oli massi järgi võrdne umbes 30 Päikesega. Nagu UC Irvine'i füüsika- ja astronoomiaprofessor ning paberkandjal olnud kaasautor James Bullock UCI pressiteates selgitas:
„Põhimõtteliselt oli gravitatsiooniliste lainete tuvastamine tohutu ettevõtmine, kuna see oli kinnitus Einsteini üldise relatiivsusteooria peamisele ennustamisele. Kuid siis vaatasime lähemalt tegeliku tulemuse astrofüüsikat - kahe 30 päikeseenergiaga massi musta augu liitmist. See oli lihtsalt jahmatav ja pani meid küsima: "Kui tavalised on sellise suurusega mustad augud ja kui sageli need liituvad?" "
Traditsiooniliselt on astronoomid olnud seisukohal, et mustad augud on tavaliselt umbes sama massiga kui meie Päike. Sellisena püüdsid nad tõlgendada LIGO tehtud gravitatsioonilise laine tuvastusi selle järgi, mida on teada galaktikate moodustumisest. Lisaks püüdsid nad luua ka raamistiku tulevaste musta augu ühinemiste ennustamiseks.
Sellest järeldasid nad, et Linnutee galaktikas elab kuni 100 miljonit musta auku, millest 10 miljonil on hinnanguliselt umbes 30 Päikese massi - st sarnased nendega, mis ühendasid ja tekitasid esimesed gravitatsioonilained, mida LIGO 2016. aastal. Vahepeal asuvad kääbusgalaktikates - nagu näiteks Draco kääbus, mis tiirleb meie galaktika keskmest umbes 250 000 lüli kaugusel - umbes 100 musta auku.
Lisaks tegid nad kindlaks, et tänapäeval asub enamik väikese massiga mustaid auke (~ 10 Päikese massi) galaktikates 1 triljoni päikese massiga (massilised galaktikad), samas kui massiivsed mustad augud (~ 50 Päikese massi) asuvad galaktikates, kus on umbes 10 miljardit Päikese massi. (st kääbusgalaktikad). Pärast galaktika massi ja tähemetallisuse vahelise seose kaalumist tõlgendasid nad galaktika musta augu arvu selle tähtmassi funktsioonina.
Lisaks püüdsid nad kindlaks teha, kui sageli tekivad mustad augud paarikaupa, kui sageli nad ühinevad ja kui kaua see aega võtab. Nende analüüs näitas, et LIGO tähelepanekute arvessevõtmiseks tuleb ühinemistesse kaasata vaid väike osa mustadest aukudest. Samuti pakuti ennustusi, mis näitasid, kuidas järgmise kümnendi jooksul võivad veelgi suuremad mustad augud ühineda.
Manoj Kaplinghat, kes oli ka UCI füüsika ja astronoomia professor ning uuringu teine kaasautor, selgitas:
„Näitame, et vaid 0,1–1 protsenti moodustunud mustadest aukudest peab ühinema, et selgitada välja see, mida LIGO nägi. Muidugi peavad mustad augud mõistliku aja jooksul ühinemiseks jõudma piisavalt lähedale, mis on lahtine probleem. Kui praegused tähe evolutsiooni ideed on õiged, siis näitavad meie arvutused, et isegi 50 päikeseenergiaga massiga mustade aukude ühinemine toimub avastatakse mõne aasta pärast. ”
Teisisõnu, meie galaktika võib varitseda mustade aukudega ja ühinemised võivad toimuda regulaarselt (võrreldes kosmoloogiliste ajakavadega). Seetõttu võime eeldada, et lähiaastatel on gravitatsioonilainete tuvastamine veel palju suurem. See ei tohiks olla üllatus, sest LIGO on alates 2016. aasta talvest teinud kaks täiendavat tuvastust.
Kui oodata on veel palju inimesi, on astronoomidel palju võimalusi uurida mustade aukude ühinemist, rääkimata füüsikast, mis neid juhib!
