Hat ein Starry 'Mosh Pit' LIGOs Gravitationswellen erzeugt? (Kavli Roundtable)

Adam Hadhazy, Autor und Redakteur der Kavli Foundation, hat diesen Artikel zu ProfoundSpace.org's Expert Voices: Op-Ed & Insights beigesteuert.

Zu ihrer Überraschung finden Wissenschaftler Dutzende von Schwarzen Löchern tief in dicht gepackten Sammlungen von Sternen, die als Kugelsternhaufen bezeichnet werden. Astrophysiker nutzen eine rekordverdächtige Computersimulation, um die Geheimnisse der Cluster zu erfahren, einschließlich, ob sie zu kürzlich beobachteten Wellen in der Raumzeit führten.

Im Jahr 2015, nach einem Jahrhundert der Spekulation, entdeckte die Welt schließlich die schwer fassbaren Wellen im Universum, die als Gravitationswellen bekannt sind. Dies geschah, als ein Wellenjagd-Experiment namens LIGO, das wie eine kolossale Stimmgabel wirkt, diese Wellen wahrnahm, die aus der kataklysmischen Kollision zweier massiver schwarzer Löcher herausgeschleudert wurden. (Lesen Sie mehr: Was ist LIGO?)

Aber wo treten diese Kollisionen auf? Eine neue Veröffentlichung über LIGOs dritte Gravitationswellen-Detektion, die am 1. Juni angekündigt wurde, deutet darauf hin, dass das Black-Hole-Smashup in einem wunderschönen Objekt namens Kugelsternhaufen stecken könnte - einer glitzernden himmlischen "Schneekugel", gefüllt mit Hunderttausenden von dicht gepackten Objekten Sterne. In ihren Zentren wird angenommen, dass Kugelsternhaufen Dutzende bis Hunderte von Schwarzen Löchern beherbergen - mit Abstand die größte Konzentration dieser exotischen Objekte, die irgendwo im Universum gefunden werden. [Jagd Gravitationswellen: Das LIGO Laser Interferometer Projekt in Fotos]

Kugelsternhaufen könnten sehr wohl eine Hauptquelle der Gravitationswellen sein, die Wissenschaftler mit LIGO messen. Das Studium dieser Wellen könnte uns mehr über ihre dichten Sternhaufen-Ursprünge lehren und dabei auch die Konstruktion von Galaxien, den größten Sternengruppen des Universums, beleuchten.

In dieser Simulation interagieren 60 schwarze Löcher und 500 Sterne am chaotischen Kern eines Kugelsternhaufens miteinander, bis sich zwei schwarze Löcher zu einem Schwarzen Loch verbinden. Credit: Carl Rodriguez / Nordwestliche Visualisierung (Justin Muir, Matt McCrory, Michael Lannum)

Die Kavli-Stiftung sprach mit drei Astrophysikern über die vielen wissenschaftlichen Möglichkeiten, die Kugelsternhaufen für das Verständnis der Kollisionen schwarzer Löcher sowie der Funktionsweise des weiteren Kosmos bieten.

Die Teilnehmer waren:

  • Rainer Spurzem - Professor am Kavli-Institut für Astronomie und Astrophysik der Peking-Universität und der Chinesischen Akademie der Wissenschaften. Er ist spezialisiert auf Computersimulationen komplexer astrophysikalischer Systeme wie Galaxien und Kugelsternhaufen.
  • Carl Rodriguez - Pappalardo Postdoctoral Fellow und Postdoktorand am Massachusetts Institute of Technology (MIT) sowie Mitglied des Kavli Instituts für Astrophysik und Weltraumforschung am MIT. Seine Forschung konzentriert sich auf dichte Sternhaufen, einschließlich Kugelsternhaufen, sowie darauf, wie sich schwarze Löcher in diesen überfüllten Systemen bilden und verhalten.
  • Jay Strader - Assistant Professor in der Abteilung für Physik und Astronomie an der Michigan State University. Er sucht nach schwarzen Löchern in Kugelsternhaufen.

Das Folgende ist eine bearbeitete Abschrift ihrer Roundtable-Diskussion. Die Teilnehmer hatten die Möglichkeit, ihre Bemerkungen zu ändern oder zu bearbeiten.

Die Kavli-Stiftung: Himmelsgucker haben seit Jahrhunderten den Sternenglanz von Kugelsternhaufen bewundert. Ist es überraschend, dass diese leuchtenden Objekte dunkle "Herzen" voller schwarzer Löcher haben, wie aktuelle Computersimulationen und Beobachtungen zeigen?

Carl Rodriguez: Es ist nicht überraschend von dem Standpunkt, dass, wenn Sie mit einer großen Population von Sternen irgendwo im Universum beginnen, Sie mit einigen ultrahellen, massereichen Sternen enden werden. Diese seltenen Monstersterne sind diejenigen, die gravitativ kollabieren, um schwarze Löcher zu bilden, wenn sie sterben. Da Kugelsternhaufen so viele Sterne beherbergen, hatten die Wissenschaftler lange gedacht, dass in ihnen zwangsläufig schwarze Löcher entstehen würden. Bis vor etwa zehn Jahren hatten wir keine Beobachtungsdaten, um zu beweisen, dass diese Horden von Schwarzen Löchern tatsächlich dort waren.

Rainer Spurzem: Es war immer klar, dass es in Kugelsternhaufen viele schwarze Löcher geben sollte. Aber die große Frage war und ist immer noch: Was passiert mit ihnen? Bleiben sie in Kugelsternhaufen oder werden sie kurz nach ihrer Entstehung in den Weltraum geschleudert? Haben wir Beweise für Schwarze Löcher gesehen, die sich vor kurzem gebildet haben oder die seit Milliarden von Jahren in Kugelsternhaufen hängen geblieben sind? Die Annahme war, dass Kugelsternhaufen schwarze Löcher nicht behalten können. Aber das zeigen Computer-Simulationen von mir und meinen Kollegen, aber auch von Carl und anderen nicht.

Rodriguez: Stimmt. In früheren Modellen war die Idee, dass die schwarzen Löcher im Wesentlichen aus der Lösung fallen würden, wie zum Beispiel, wie sich schwere Staubpartikel in der Atmosphäre langsam auf der Erdoberfläche absetzen. Aber das sehen wir nicht. [Bilder: Schwarze Löcher des Universums]

In den neueren Computersimulationen, die mein Team und Rainers Team unabhängig voneinander gemacht haben, gibt es viel mehr Mischen und die Schwarzen Löcher zwingen sich nicht aus dem Kugelsternhaufen heraus. Frühere Modelle konnten nicht erfassen, dass Schwarze Löcher eine große Bandbreite an Massen haben, während wir es mit Schwarzen Löchern zu tun haben, die so wenig wie dreimal so groß sind wie bis zu 30, 50 oder sogar 80 Mal die Masse der Sonne. So, jetzt gibt es ein glattes Kontinuum. Damit sehen wir diese Art von Öl-und-Wasser-Trennung der Sterne und der schwarzen Löcher in einem Kugelsternhaufen nicht mehr.

Jay Strader: Was großartig ist, ist, dass Sie diese zwei getrennten Reihen von Untersuchungen, von Theorie und experimentellen Beobachtungen haben. Rainer und Carl erstellen Computersimulationen basierend auf theoretischen Modellen, während mein Team Beobachtungsdaten für die Existenz von Schwarzen Löchern in Kugelsternhaufen sammelt.Im Moment kommen wir zu den gleichen Schlussfolgerungen, dass Kugelsternhaufen ihre schwarzen Löcher behalten können. Und wenn das der Fall ist, dann könnten Kugelsternhaufen dort sein, wo Schwarze Löcher oft kollidieren und Gravitationswellen erzeugen.

TKF: Rainer, die Simulation, an der Sie gerade gearbeitet haben, ist die bisher realistischste Simulation eines Kugelsternhaufens. Weil es andeutet, dass die Gravitationswellen, die wir mit LIGO entdeckt haben, von zwei schwarzen Löchern innerhalb eines Kugelsternhaufens stammen, glaubst du, dass das Geheimnis ihrer Entstehung jetzt gelöst ist?

Spurzem: Die Simulation, die wir ausgeführt haben, heißt DRAGON Simulation Project. Es ist eine unglaublich ausgefeilte Simulation eines Kugelsternhaufens, der durch die Verfolgung einer Million digitaler Sterne im Laufe von über 12 Milliarden Jahren - fast dem Zeitalter des Universums - entstanden ist. Es macht eine großartige Arbeit, um Kugelsternhaufen zu simulieren, und wir haben einige schwarze Löcher gefunden, die mehr oder weniger mit den Gravitationswellenereignissen übereinstimmen, die LIGO entdeckt hat. Aber wir können uns noch nicht ganz sicher sein.

Etwas, was wir vermissen, ist eine echte Zählung aller Kugelsternhaufen in unserer kosmischen Nachbarschaft. Wir müssen wissen, wie viele es gibt, um zu sehen, ob ihre Anzahl mit der erwarteten Rate von Gravitationswellenereignissen korreliert, von denen wir erwarten, dass LIGO sie pro Jahr entdeckt. Je mehr Kugelsternhaufen vorhanden sind, desto wahrscheinlicher ist es, dass die ersten Gravitationswellen, die LIGO jemals entdeckt hat, aus einem herauskommen. Über DRAGON hinaus haben wir noch viel mehr zu tun, um den Ursprung der von LIGO detektierten Gravitationswellen herauszufinden.

TKF: Carl, du untersuchst, wie Kugelsternhaufen sich wohl wie "Fabriken" verhalten, um schwarze Löcher zu machen. Was hast du gelernt?

Rodriguez: Kugelsternhaufen haben deutlich weniger Sterne und schwarze Löcher als in einer ganzen Galaxie. Zum Beispiel hat die Milchstraße 200 Milliarden Sterne, während Kugelsternhaufen vielleicht nur eine Million Sterne haben. Aber wenn es darum geht, schwarze Löcher zu machen, kommt es auf die Dichte der Sterne an, und hier schlagen die Galaxienhaufen der Kugelsternhaufen. Während die Milchstraße einen Durchmesser von etwa 100.000 Lichtjahren hat, geben oder nehmen, hat ein Kugelsternhaufen nur etwa 10 Lichtjahre Durchmesser.

Diese extreme Dichte von Sternen ermöglicht dynamische Prozesse, die Sie nicht an anderen Orten im Universum sehen. Schwarze Löcher können nahe genug beieinander liegen, dass sie gravitative Wechselwirkungen eingehen und ein Paar bilden, das als binär bekannt ist. Das kann man auch in Galaxien sehen, aber es ist unglaublich selten, während es in Kugelsternhaufen immer passiert.

TKF: Sie haben auch einen Weg für Astrophysiker entwickelt, um die Quelle einer Gravitationswelle herauszufinden. Wie funktioniert das?

Rodriguez: Dies geht auf meine Doktorarbeit zurück, in der ich den Begriff "Black Hole Mosh Pit" in eine frühere Arbeit übersetzte, um zu beschreiben, wie diese kosmische Umgebung aussehen würde. Ich war mit mir selbst zufrieden. [Lachen]

Schwarze Löcher rotieren entlang einer zentralen Achse. Wenn sie sich in einem binären System umkreisen, hat jedes der schwarzen Löcher seine eigene Spinorientierung. Diese Spinorientierungen können auf die Umlaufbahn der schwarzen Löcher ausgerichtet werden, so wie sich zwei Spitzen auf einem flachen Tisch aufeinander zu drehen. Oder die Spinorientierungen können unterschiedlich sein und fehlausgerichtet sein, so wie sich die Spitzen im dreidimensionalen Raum drehen. LIGO kann tatsächlich erkennen, wenn schwarze Löcher diese Art von Fehlausrichtungen haben. Und bei der neuesten, dritten Gravitationswellen-Detektion scheint es, als ob es signifikante Beweise dafür gibt, dass die Schwarzen Löcher nicht mit der Umlaufbahn ausgerichtet sind. Wenn sie sich überhaupt drehen, scheint es nahe zu liegen, dass sie etwas gegen die Umlaufbahn ausgerichtet sind, so wie man es von einem Cluster erwarten würde. Astrophysiker werden diese Informationen nutzen, um herauszufinden, ob die Fusion in einem Kugelsternhaufen oder irgendwo anders in der Milchstraße stattgefunden hat.

TKF: Warum interessiert es uns, ob die Wellen das Ergebnis einer Verschmelzung von zwei Schwarzen Löchern innerhalb eines Clusters waren oder nicht?

Rodriguez: In der Lage zu sein, diese beiden Populationen von binären Schwarzen Löchern - diejenigen innerhalb und außerhalb von Kugelsternhaufen - zu unterscheiden, wäre sehr, sehr interessant und würde das Potenzial der Gravitationswellen-Astrophysik aufdecken. Wenn wir zum Beispiel herausfinden, dass die meisten dieser Black-Hole-Binaries aus dichten Sternhaufen kommen, könnten wir das auf die Entwicklung dieser Cluster zurückführen und eine bessere Vorstellung von ihrer Entstehung und ihrem Verhalten bekommen.

Wenn wir andererseits zwei getrennte Populationen unterscheiden und zeigen können, dass, zum Beispiel, die Hälfte der binären schwarzen Löcher von Clustern kommt und die Hälfte von binären Sternen außerhalb von Clustern stammt, könnten wir auch Fragen über die Physik von Clustern beantworten produziert die massereichsten Sterne des Universums.

TKF: Was macht Kugelsternhaufen noch so faszinierend?

Strader: Indem wir mehr darüber lernen, was Kugelsternhaufen zusammenhält, können wir etwas über die unterschiedlichen Bedingungen erfahren, unter denen Sterne geboren werden. Kugelsternhaufen können sich mit einer Million Sternen nahe beieinander bilden. Die kollektive Schwerkraft dieses ganzen stellaren Ensembles kann den Sternen helfen, für viele Milliarden von Jahren zusammenzubleiben. Das ist sehr verschieden von den meisten Sternen im Universum, von denen wir denken, dass sie in Gruppen von vielleicht einhundert oder tausend Sternen entstanden sind. Im Allgemeinen werden diese Sternhaufen durch die Schwerkraft sehr zerbrechlich zusammengehalten, so dass sie sich im Laufe der Zeit schnell auflösen.

Wir können auch etwas über die Entwicklung des weiteren Universums erfahren. Zu Beginn seiner Geschichte war das Universum ein sehr dichter Ort, von dem wir glauben, dass es sehr förderlich für die Bildung von massiven Clustern war, einschließlich Kugelsternhaufen. Wir können diese Idee testen, indem wir das Alter und die Lebensdauer von Kugelsternhaufen untersuchen.

Spurzem: Kugelsternhaufen bieten faszinierende Tests der Himmelsmechanik, wie Hunderttausende oder sogar Millionen von Sternen zusammenwirken. Sie gehören auch zu den ältesten Objekten, die Sie in unserer Galaxie finden werden, und so können sie ein einzigartiges Fenster zum Verständnis der Galaxienbildung bieten.

TKF: Apropos Galaxie, Jay, du bist Teil der VERLETZUNGEN Diese Studie nutzt Boden Teleskop-Teleskope, um dieses Thema zu studieren. Wie sind Kugelsternhaufen nützlich, um die Entwicklung von Galaxien über die Geschichte des Universums zu verfolgen?

Strader: Kugelsternhaufen sind relativ helle Objekte. Das macht sie leichter zu beobachten und in größeren Entfernungen als andere Gruppen von Sternen zu studieren. Das ist wichtig, denn wenn Sie von unserer Milchstraße in benachbarte Galaxien und dann weiter entfernte Galaxien ziehen, wird es oft unmöglich, ihre einzelnen Sterne zu studieren, um etwas über ihre Eigenschaften wie ihre chemische Zusammensetzung und ihr Alter zu erfahren. Aber Sie können diese Untersuchungen noch an den Kugelsternhaufen dieser Galaxien durchführen. Mit Hilfe von Kugelsternhaufen können Sie also diese Art von "fossilen" Rückblick auf die Entstehung von Galaxien in wesentlich größeren Entfernungen durchführen, um mehr über Galaxien im Universum zu erfahren.

Eine andere Art, wie Kugelsternhaufen uns über die Entstehung von Galaxien informieren, hat tatsächlich eine Verbindung zu Schwarzen Löchern. Kürzlich haben wir entdeckt, dass viele Objekte, von denen wir dachten, dass sie die massivsten Kugelsternhaufen waren, überhaupt keine Kugelsternhaufen zu sein scheinen. Stattdessen scheinen sie die Überreste massereicher Galaxien zu sein, die von einer anderen Galaxie auseinander gerissen wurden und nur den Kern der ursprünglichen Galaxie zurückließen. Einige dieser Kerne sind mit Sternen beladen, so dass sie wie kleine, sternenklare Nuggets aussehen - ähnlich wie ein Kugelsternhaufen. Aber sie haben nur ein einziges, supermassives schwarzes Loch in ihrem Zentrum, so wie wir es im Zentrum unserer eigenen Milchstraße haben. Wir können diese Überreste untersuchen, um supermassive Schwarze Löcher zu verstehen und wie Galaxien über die gesamte Lebenszeit des Universums interagieren.

Spurzem: Es gibt ein Objekt namens Omega Centauri in unserer eigenen Galaxie, das einer dieser Überreste einer massereicheren Galaxie sein könnte. Omega Centauri galt lange Zeit als größter Kugelsternhaufen der Milchstraße und enthält 10 Millionen Sterne.

Strader: Stimmt. Es ist auch fast sicher der Fall, dass der Kugelsternhaufen Messier 54 in der Nähe der Milchstraße tatsächlich der Kern eines galaktischen Nachbarn ist, der Sagittarius-Zwerggalaxie. Es gibt ein paar andere Cluster, die Kandidaten als ehemalige Galaxien sind, die von der Milchstraße gegessen wurden.

TKF: Zurück zur DRAGON-Simulation, Rainer, was haben Sie und Ihre Kollegen über Kugelsternhaufen lernen wollen, und haben Sie Überraschungen erlebt?

Spurzem: Überraschenderweise gab es wenige Überraschungen! Das hat uns gezeigt, dass wir auf dem richtigen Weg sind, Kugelsternhaufen zu verstehen. Die DRAGON-Simulation war erfolgreich bei der Anpassung an die Beobachtungen von echten Kugelsternhaufen, die zum Beispiel vom Hubble-Weltraumteleskop aufgenommen wurden. Der simulierte Cluster enthält auch Dutzende von schwarzen Löchern.

DRAGON ist ein Endpunkt eines sehr langen Kampfes, um eine Million sich bewegender, interagierender Körper zu simulieren. Im Jahr 1990 dachten Wissenschaftler, dass es in 10 Jahren mit leistungsfähigen Computern möglich wäre. Es war nicht so einfach! Selbst nachdem wir die Computercodes entwickelt hatten, brauchten wir noch eine Maschine, die sie ausführen konnte.

Nach fast einem Jahrzehnt begannen meine Kollegen und ich, einen Supercomputer an den Nationalen Astronomischen Observatorien der Chinesischen Akademie der Wissenschaften zu benutzen, den ich übernommen hatte. Das ist einer der Gründe, warum ich zuerst nach China gekommen bin. Wir haben mit Forschern der Max Planck Computing and Data Facility am Max-Planck-Institut für Astrophysik in Deutschland zusammengearbeitet. Diese chinesisch-europäische Zusammenarbeit ermöglichte das DRAGON-Simulationsprojekt, und ein Schüler von mir, Long Wang, leitete die Bemühungen. Wir haben endlich unser Ziel erreicht, die Simulation zu starten.

TKF: Jay, statt eines Supercomputers studierst du diese schwarzen Löcher mit Radiodaten, die vom Very Large Array, einem bodengestützten Teleskop, gesammelt wurden. Wie können Sie mit diesen Instrumenten schwarze Löcher "sehen" und untersuchen?

Strader: Nun, mit einem schwarzen Loch ist es genau dort im Namen - du kannst es nicht sehen. Was Sie suchen, ist indirekter Beweis. Das könnte ein Begleitstern oder Gas sein, das das Schwarze Loch umgibt und von ihm erhitzt wird.

Diese Signaturen sagen nicht, ob ein Objekt ein Schwarzes Loch oder etwas anderes ist, das man Neutronenstern nennt - die dichten Reste von Sternen, die nicht ganz so massiv waren, dass sie ein schwarzes Loch bildeten, wenn sie starben. Meine Arbeit mit dem Very Large Array, dem großen Radioteleskop in New Mexico - Sie haben es im Film "Kontakt" gesehen -, nutzt die Tatsache aus, dass Schwarze Löcher Radiowellen aussenden, die wesentlich heller sind als alle Jets, die sich lösen von Neutronensternen. Das ist es, was Kandidaten für Schwarze Löcher aufzeigt.

Dann schauen wir mit dem Hubble Space Telescope, das die schärfste Sicht hat, und können diese Funkstrahlen mit einzelnen Sternen verbinden. Sobald wir das getan haben, können wir sagen, ob dieser Stern in einem Binärsystem mit einem schwarzen Loch sein könnte. Schließlich untersuchen wir diesen Stern, um zu sehen, ob seine Bewegung dynamischen Beweis liefert, dass das Objekt, mit dem es gepaart ist, tatsächlich ein schwarzes Loch ist. [Das Hubble-Weltraumteleskop: Eine Foto-Feier zum 25. Jahrestag]

TKF Was sind einige der anderen offenen Fragen über Kugelsternhaufen und ihre Schwarzen Löcher, und wie könnten wir ihnen antworten?

Strader: Wir finden Kandidatenlöcher in den Kugelsternhaufen der Milchstraße und wir arbeiten gerade daran, sie zu bestätigen.Eine große Frage, die ich habe, ist, was ist die Beziehung zwischen den Objekten, die wir finden, und der gesamten Population von Schwarzen Löchern in diesen Clustern? Wie viele finden wir nicht? Die meisten schwarzen Löcher innerhalb eines Kugelsternhaufens werden wahrscheinlich nicht beobachtbar sein. Wie schätzen wir die Gesamtgeschwindigkeit ein, mit der schwarze Löcher Paare bilden, die von LIGO nachweisbar sein könnten?

Spurzem: Wir haben kürzlich gelernt, dass Kugelsternhaufen mehrere Generationen von Sternen beherbergen können, was bedeutet, dass nicht alle Sterne des Sternhaufens zur gleichen Zeit geboren wurden. Das widerspricht unseren Standardmodellen, nach denen die Sterne in Kugelsternhaufen ungefähr gleich alt sein sollten.

Die andere Frage ist die Rotation in Kugelsternhaufen. Es ist ein Mysterium, denn wenn wir jetzt Kugelsternhaufen betrachten, sind sie alle kugelförmig. Aber wenn sie sich gebildet haben, müssen sie eine natürliche Rotation gehabt haben, und Sie würden nicht erwarten, dass sie sich in so enge, runde Gruppen von Sternen erheben. Bei einigen Prozessen konnten sie die Rotation verlieren und Kugeln bilden. Das wurde sehr vernachlässigt.

Rodriguez: In bestimmten, uralten Kugelsternhaufen, die sich nicht dynamisch mit anderen Galaxienhaufen oder Galaxien dynamisch entwickelt haben, sollten Sie theoretisch sehr, sehr massive schwarze Löcher erhalten, die 50 mal so groß wie die Sonnenmasse oder noch größer sind. Ich denke, es wäre sehr interessant zu sehen, ob wir eines dieser Monster in einem dieser unentwickelten Haufen sehen könnten, weil wir niemals ein solches schwarzes Loch gesehen haben.

Spurzem: Am faszinierendsten ist, dass es im intergalaktischen Raum zwischen Galaxiengruppen zehntausende Kugelsternhaufen gibt, die dort frei schweben. Wenn das üblich ist, würde es bedeuten, dass es viel, viel mehr Kugelsternhaufen gibt, als wir bisher dachten.

- Adam Hadhazy, Frühling 2017