Utan mer data kan ett svart håls ursprung “roteras” i vilken riktning som helst

Ledtrådar till ett svart håls ursprung kan hittas i hur det snurrar. Detta gäller särskilt för binärer, där två svarta hål närmar sig varandra innan de slås samman. Rotationen och lutningen av de respektive svarta hålen precis innan de smälter samman kan avslöja om de osynliga jättarna härstammar från en tyst galaktisk skiva eller från en mer dynamisk stjärnhop.

Astronomer hoppas kunna avgöra vilken av dessa ursprungsberättelser som är mest sannolikt genom att analysera de 69 bekräftade binärer upptäckt hittills. Men en ny studie avslöjar att den nuvarande katalogen av binärer för närvarande inte räcker för att avslöja något fundamentalt om bildandet av svarta hål.

I en studie publicerad i dag i tidskriften Astronomi och astrofysikMIT-fysiker visar att när alla kända binärer och deras snurr är inpassade i modeller för bildning av svarta hål kan slutsatserna se väldigt olika ut, beroende på vilken modell som används för att tolka data.

Ursprunget till ett svart hål kan därför “roteras” på olika sätt, beroende på antagandena i en modell om universums funktion.

“När du ändrar modellen och gör den mer flexibel eller gör andra antaganden får du ett annat svar om hur svarta hål bildades i universum”, säger studiens medförfattare Sylvia Biscoveanu, MIT doktorand som arbetar vid LIGO-labbet. “Vi visar att folk måste vara försiktiga eftersom vi ännu inte är i det stadiet med vår data där vi kan tro på vad modellen säger oss.”

Studiens medförfattare inkluderar Colm Talbot, en MIT postdoc; och Salvatore Vitale, docent i fysik och medlem av Kavli-institutet för astrofysik och rymdforskning vid MIT.

En berättelse med två ursprung

Svarta hål i binära system tros uppstå genom en av två vägar. Den första är genom “binary field evolution”, där två stjärnor utvecklas tillsammans och så småningom exploderar som supernovor och lämnar efter sig två svarta hål som fortsätter att snurra i ett binärt system. I det här scenariot borde de svarta hålen ha relativt inriktade snurr, eftersom de skulle ha haft tid – först som stjärnor, sedan som svarta hål – att dra och dra varandra i liknande orienteringar. Om de svarta hålen i en binär har ungefär samma snurraforskare tror att de måste ha utvecklats i en relativt lugn miljö, till exempel en galaktisk skiva.

Svarta håls binärer kan också bildas genom “dynamisk montering”, där två svarta hål utvecklas separat, var och en med sin egen lutning och rotation. Genom någon extrem astrofysisk process förs de svarta hålen äntligen samman, tillräckligt nära för att bilda ett binärt system. En sådan dynamisk parning skulle sannolikt inte inträffa i en tyst galaktisk skiva, utan i en tätare miljö, till exempel en klothop, där interaktionen mellan tusentals stjärnor kan få två svarta hål att kollidera. Om svarta hål i en binär har slumpmässigt orienterade snurr, bildades de troligen i en klotformig klunga.

Men vilken bråkdel av binärer bildas genom en kanal kontra den andra? Svaret, säger astronomer, borde ligga i data, och i synnerhet i mätningar av svarta håls snurr.

Hittills har astronomer härlett spinn av svarta hål i 69 binärer, som har upptäckts av ett nätverk av gravitationsvågsdetektorer inklusive LIGO i USA och dess italienska motsvarighet Jungfrun. Varje detektor lyssnar efter tecken på gravitationsvågor – mycket subtila efterklang rum-tid som är resterna av extrema astrofysiska händelser som sammanslagning av massiva svarta hål.

Med varje binär detektering uppskattade astronomer det svarta hålets respektive egenskaper, inklusive deras massa och spinn. De arbetade in spinnmätningar till en allmänt accepterad modell av svarthålsbildning och hittade tecken på att binärer kan ha både föredraget och justerat spinn, såväl som slumpmässiga snurr. Med andra ord kan universum producera binärer i både galaktiska skivor och klothopar.

“Men vi ville veta, har vi tillräckligt med data för att göra den skillnaden?” sa Biscoveanu. “Och det visar sig att saker är rörigt och osäkert, och det är svårare än det ser ut.”

Rotera data

I sin nya studie testade MIT-teamet om samma data skulle ge samma slutsatser när de användes i lite olika teoretiska modeller för bildning av svarta hål.

Teamet replikerade först LIGOs spinnmätningar i en flitigt använd modell av svarthålsbildning. Den här modellen antar att en bråkdel av binärerna i universum föredrar att producera svarta hål med justerade snurr, där resten av binärerna har slumpmässiga snurr. De fann att data verkade överensstämma med denna modells antaganden och visade en spik där modellen förutspådde att det skulle finnas fler svarta hål med liknande snurr.

De justerade sedan modellen något och ändrade dess antaganden så att den förutspådde en något annorlunda orientering än de svarta hålens föredragna rotationer. När de arbetade med samma data i den här modifierade modellen fann de att data skiftade för att anpassas till de nya förutsägelserna. Data gjorde också liknande förändringar i 10 andra modeller, var och en med olika antaganden om hur svarta hål föredrar att vända.

“Vårt papper visar att ditt resultat helt beror på hur du modellerar din astrofysik, snarare än själva data”, säger Biscoveanu.

“Vi behöver mer data än vi trodde, om vi ska göra ett oberoende påstående om de astrofysiska antaganden vi gör”, tillägger Vitale.

Hur mycket ytterligare data astronomer behöver? Vitale uppskattar att när LIGO-nätverket startar om i början av 2023 kommer instrumenten att upptäcka en ny binär svart hål med några dagars mellanrum. Under nästa år kan detta lägga till hundratals fler mätningar att lägga till data.

“Mätningarna av snurr som vi har nu är mycket osäkra”, säger Vitale. “Men när vi bygger mycket av det kan vi få bättre information. Sedan kan vi säga, oavsett hur detaljerad min modell är, så berättar data alltid samma historia för mig, en historia som vi då kunde tro.”

Den här historien återpubliceras med vänligt tillstånd från MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om forskning, innovation och utbildning vid MIT.