Černé díry o hvězdné hmotnosti jsou nebeské objekty zrozené kolapsem hvězd s hmotností několika až stoveknásobku hmotnosti našeho Slunce. Jejich gravitační pole je tak intenzivní, že se jim nemůže vyhnout ani hmota, ani záření, což ztěžuje jejich detekci.
Když tedy v roce 2015 laserová observatoř gravitačních vln (LIGO) detekovala drobné vlnky v časoprostoru vzniklé sloučením dvou černých děr, bylo to oslavováno jako předělový okamžik.
Podle astrofyziků měly dvě splývající se černé díry na počátku signálu asi 30násobek hmotnosti Slunce a nacházely se 1.5 miliardy světelných let daleko.
Detekční trubice LIGO – ilustrační foto. Obrazový kredit: Jeff Keyzer via flickr, CC BY-SA 2.0
Teorie přemostění a pozorování
Jaké mechanismy vytvářejí tyto černé díry? Jsou produktem vývoje dvou hvězd, podobných našemu slunci, ale výrazně hmotnějších, vyvíjejících se v binárním systému? Nebo jsou výsledkem černých děr v hustě osídlených hvězdokupách, které do sebe náhodně nabíhají? Nebo může jít o exotičtější mechanismus? O všech těchto otázkách se dodnes diskutuje.
Spolupráce POSYDON, tým vědců z institucí včetně Northwestern, University of Geneva (UNIGE) a University of Florida (UF), učinila významný pokrok v simulaci populací dvojhvězd. Tato práce pomáhá poskytovat přesnější odpovědi a sladit teoretické předpovědi s pozorovacími daty.
„Vzhledem k tomu, že není možné přímo pozorovat vznik slučujících se binárních černých děr, je nutné spoléhat se na simulace, které reprodukují jejich pozorovací vlastnosti,“ řekla Simone Bavera, postdoktorandka z oddělení astronomie Přírodovědecké fakulty UNIGE. autor studie.
"Děláme to simulací binárních hvězdných systémů od jejich zrození až po vytvoření binárních systémů černých děr."
Umělcova koncepce ukazuje dvě splývající černé díry podobné těm, které detekovalo LIGO. Kredit: Aurore Simonnet/LIGO-Caltech-MIT-Sonoma State
Posouvání limitů simulace
Interpretace původu sloučení binárních černých děr, jako je ta pozorovaná v roce 2015, vyžaduje srovnání teoretických modelových předpovědí se skutečnými pozorováními. Technika použitá k modelování těchto systémů je známá jako „binární populační syntéza“.
„Tato technika simuluje vývoj desítek milionů dvojhvězdných systémů, aby bylo možné odhadnout statistické vlastnosti výsledné populace zdrojů gravitačních vln,“ řekl Anastasios Fragkos, odborný asistent na katedře astronomie na Přírodovědecké fakultě UNIGE.
"Aby toho však bylo dosaženo v rozumném časovém rámci, výzkumníci až dosud spoléhali na modely, které používají přibližné metody k simulaci vývoje hvězd a jejich binárních interakcí," řekl. "Přílišné zjednodušení fyziky jednotlivých a binárních hvězd tedy vede k méně přesným předpovědím."
POSYDON tato omezení překonal. Je navržen jako software s otevřeným zdrojovým kódem a využívá předem vypočítanou velkou knihovnu podrobných simulací jedné a binární hvězdy k předpovědi vývoje izolovaných binárních systémů.
Každá z těchto podrobných simulací může na superpočítači trvat až 100 hodin centrálního procesoru (CPU), takže tato simulační technika není přímo použitelná pro syntézu binární populace.
„Nicméně předpočítáním knihovny simulací, které pokrývají celý prostor parametrů počátečních podmínek, může POSYDON využít tuto rozsáhlou datovou sadu spolu s metodami strojového učení k předpovědi kompletního vývoje binárních systémů za méně než sekundu,“ řekl Jeffrey Andrews, asistent. profesor na katedře fyziky UF.
"Tato rychlost je srovnatelná s rychlostí kódů pro rychlou syntézu populace předchozí generace, ale se zvýšenou přesností."
Představujeme nový model
POSYDON, hlavní projekt vývoje kódu, znamená POpulsace SYntéza s Dpodrobné simulace binární evoluceONs. Kalogera a Tassos Fragos, bývalý Ph.D. student ve skupině Kalogera, jsou spoluřešiteli projektu, který začal v Northwestern v roce 2019 s podporou Gordon and Betty Moore Foundation a Swiss National Science Foundation.
Fragos, nyní na Ženevské univerzitě, je spoluautorem studie. Ke spolupráci se letos připojila University of Florida.
Předchozí modely přeceňovaly určité aspekty, jako je expanze hmotných hvězd, která ovlivňuje jejich hmotnostní ztrátu a binární interakce. Tyto prvky jsou klíčovými složkami, které určují vlastnosti spojování černých děr.
Díky plně soběstačným detailním simulacím hvězdné struktury a binárních interakcí dosahuje POSYDON přesnějších předpovědí slučování vlastností binárních černých děr, jako jsou jejich hmotnosti a rotace.
Výzkumný tým v současné době vyvíjí novou verzi POSYDON, která bude obsahovat větší knihovnu podrobných hvězdných a binárních simulací, schopných simulovat dvojhvězdy v širším spektru typů galaxií.
Zdroj: Northwestern University
