Ang mga stellar-mass black hole ay mga bagay na makalangit na isinilang mula sa pagbagsak ng mga bituin na may masa ng iilan hanggang mababa ang daan-daang beses kaysa sa ating araw. Ang kanilang gravitational field ay napakatindi na walang bagay o radiation ang makakaiwas sa kanila, na nagpapahirap sa kanilang pagtuklas.
Samakatuwid, nang ang maliliit na ripples sa space-time na ginawa ng pagsasama ng dalawang black hole ay na-detect noong 2015 ng Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO), tinawag itong watershed moment.
Ayon sa mga astrophysicist, ang dalawang pinagsanib na black hole sa pinagmulan ng signal ay humigit-kumulang 30 beses ang masa ng araw at matatagpuan 1.5 bilyon light-years ang layo.
LIGO detector beam tube – naglalarawang larawan. Kredito ng larawan: Jeff Keyzer sa pamamagitan ng Flickr, CC BY-SA 2.0
Bridging theory at observation
Anong mga mekanismo ang gumagawa ng mga black hole na ito? Ang mga ito ba ay produkto ng ebolusyon ng dalawang bituin, katulad ng ating araw ngunit mas malaki, umuusbong sa loob ng isang binary system? O nagreresulta ba ang mga ito sa mga itim na butas sa mga kumpol ng bituin na makapal ang populasyon na nagkataon? O baka isang mas kakaibang mekanismo ang kasangkot? Ang lahat ng mga tanong na ito ay mainit na pinagtatalunan ngayon.
Ang pakikipagtulungan ng POSYDON, isang pangkat ng mga siyentipiko mula sa mga institusyon kabilang ang Northwestern, ang University of Geneva (UNIGE) at ang University of Florida (UF), ay gumawa ng mga makabuluhang hakbang sa pagtulad sa binary-star na populasyon. Nakakatulong ang gawaing ito na magbigay ng mas tumpak na mga sagot at itugma ang mga teoretikal na hula sa data ng pagmamasid.
"Dahil imposibleng direktang obserbahan ang pagbuo ng pinagsamang binary black hole, kinakailangan na umasa sa mga simulation na nagpaparami ng kanilang mga obserbasyonal na katangian," sabi ni Simone Bavera, isang postdoctoral researcher sa departamento ng astronomy ng UNIGE's Faculty of Science at nangunguna. may-akda ng pag-aaral.
"Ginagawa namin ito sa pamamagitan ng pagtulad sa mga binary-star system mula sa kanilang mga kapanganakan hanggang sa pagbuo ng mga binary black hole system."
Ang paglilihi ng isang artista ay nagpapakita ng dalawang pinagsanib na black hole na katulad ng mga nakita ng LIGO. Pinasasalamatan: Aurore Simonnet/LIGO-Caltech-MIT-Sonoma State
Itulak ang mga limitasyon ng simulation
Ang pagbibigay-kahulugan sa mga pinagmulan ng pagsasama-sama ng mga binary black hole, tulad ng naobserbahan noong 2015, ay nangangailangan ng paghahambing ng mga hula sa teoretikal na modelo sa mga aktwal na obserbasyon. Ang pamamaraan na ginamit upang imodelo ang mga sistemang ito ay kilala bilang "binary population synthesis."
"Ginagaya ng diskarteng ito ang ebolusyon ng sampu-sampung milyong binary star system upang matantya ang mga istatistikal na katangian ng nagresultang populasyon ng pinagmumulan ng gravitational-wave," sabi ni Anastasios Fragkos, assistant professor sa departamento ng astronomy sa UNIGE Faculty of Science.
"Gayunpaman, upang makamit ito sa isang makatwirang time frame, ang mga mananaliksik ay hanggang ngayon ay umaasa sa mga modelo na gumagamit ng tinatayang mga pamamaraan upang gayahin ang ebolusyon ng mga bituin at ang kanilang mga binary na pakikipag-ugnayan," sabi niya. "Kaya, ang sobrang pagpapasimple ng single at binary stellar physics ay humahantong sa hindi gaanong tumpak na mga hula."
Nalampasan ng POSYDON ang mga limitasyong ito. Dinisenyo bilang open-source na software, ginagamit nito ang isang pre-computed na malaking library ng detalyadong single- at binary-star simulation upang mahulaan ang ebolusyon ng mga nakahiwalay na binary system.
Ang bawat isa sa mga detalyadong simulation na ito ay maaaring tumagal ng hanggang 100 central processing unit (CPU) na oras upang tumakbo sa isang supercomputer, na ginagawang ang simulation technique na ito ay hindi direktang naaangkop para sa binary population synthesis.
"Gayunpaman, sa pamamagitan ng paunang pag-compute ng isang library ng mga simulation na sumasaklaw sa buong espasyo ng parameter ng mga paunang kundisyon, magagamit ng POSYDON ang malawak na dataset na ito kasama ng mga paraan ng pag-aaral ng machine upang mahulaan ang kumpletong ebolusyon ng mga binary system sa wala pang isang segundo," sabi ni Jeffrey Andrews, assistant propesor sa departamento ng pisika sa UF.
"Ang bilis na ito ay maihahambing sa naunang henerasyon ng mabilis na populasyon ng synthesis code, ngunit may pinahusay na katumpakan."
Pagpapakilala ng bagong modelo
POSYDON, isang pangunahing proyekto sa pagbuo ng code, ay nangangahulugang POpulasyon SYnthesis kasama ang Detailed binary-evolution simulatiONs. Kalogera at Tassos Fragos, isang dating Ph.D. estudyante sa grupo ni Kalogera, ay mga co-principal investigator ng proyekto, na nagsimula sa Northwestern noong 2019 na may suporta mula sa Gordon at Betty Moore Foundation at ng Swiss National Science Foundation.
Si Fragos, ngayon sa Unibersidad ng Geneva, ay isang co-author ng pag-aaral. Ang Unibersidad ng Florida ay sumali sa pakikipagtulungan sa taong ito.
Nag-overestimated ang mga nakaraang modelo sa ilang aspeto, tulad ng pagpapalawak ng malalaking bituin, na nakakaapekto sa kanilang pagkawala ng masa at sa binary na pakikipag-ugnayan. Ang mga elementong ito ay mga pangunahing sangkap na tumutukoy sa mga katangian ng pagsasama ng mga black hole.
Salamat sa ganap na pare-parehong detalyadong stellar-structure at binary-interaction simulation, ang POSYDON ay nakakamit ng mas tumpak na mga hula sa pagsasama ng binary black hole properties gaya ng kanilang mga masa at spins.
Kasalukuyang gumagawa ang research team ng bagong bersyon ng POSYDON, na magsasama ng mas malaking library ng mga detalyadong stellar at binary simulation, na may kakayahang gayahin ang mga binary sa mas malawak na hanay ng mga uri ng galaxy.
Source: Hilagang-kanluran University
