Astrofysiker vid University of Birmingham har gjort framsteg i att förstå ett nyckelmysterium inom gravitationsvågastrofysik:hur två svarta hål kan mötas och smälta samman.

Under de första fyra månaderna av att ta data, Advanced LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) upptäckte gravitationsvågor från två sammanslagningar av par av svarta hål, GW150914 och GW151226, tillsammans med den statistiskt mindre signifikanta svarta hålskandidaten LVT151012.

Den första bekräftade upptäckten av gravitationsvågor inträffade den 14 september 2015 kl. 05.51 Eastern Daylight Time av båda de två LIGO-detektorerna, ligger i Livingston, Louisiana, och Hanford, Washington, USA. Det bekräftade en stor förutsägelse av Albert Einsteins allmänna relativitetsteori från 1915 och öppnade ett nytt fönster mot kosmos utan motstycke. Dock, vi vet fortfarande inte hur sådana par av sammanslagna svarta hål bildas.

En ny tidning, publiceras i Naturkommunikation , beskriver resultaten av en undersökning av bildandet av gravitationsvågkällor med en nyutvecklad verktygslåda som heter COMPAS (Compact Object Mergers:Population Astrophysics and Statistics).

För att de svarta hålen ska smälta samman inom universums tidsålder genom att sända ut gravitationsvågor, de måste börja mycket nära varandra med astronomiska standarder, inte mer än ungefär en femtedel av avståndet mellan jorden och solen. Dock, massiva stjärnor, som är stamfader till de svarta hålen som LIGO har observerat, expandera till att bli mycket större än så här under loppet av deras utveckling. Den viktigaste utmaningen, sedan, är hur man får in så stora stjärnor i en mycket liten omloppsbana. Flera möjliga scenarier har föreslagits för att komma till rätta med detta.

Astrofysikerna från Birmingham, tillsammans med samarbetspartnern professor Selma de Mink från universitetet i Amsterdam, har visat att alla tre observerade händelser kan bildas via samma bildningskanal:isolerad binär evolution via en gemensam envelop-fas. I den här kanalen, två massiva stamfadersstjärnor börjar med ganska breda separationer. Stjärnorna samverkar när de expanderar, deltar i flera episoder av massöverföring. Det senaste av dessa är vanligtvis ett vanligt kuvert - ett mycket snabbt, dynamiskt instabil massöverföring som omsluter båda stjärnkärnorna i ett tätt moln av vätgas. Att kasta ut denna gas från systemet tar energi bort från omloppsbanan. Detta för de två stjärnorna tillräckligt nära varandra för att gravitationsvågemissionen ska vara effektiv, precis vid den tidpunkt då de är tillräckligt små för att en sådan närhet inte längre kommer att få dem i kontakt. Hela processen tar några miljoner år att bilda två svarta hål, med en möjlig efterföljande fördröjning på miljarder år innan de svarta hålen smälter samman och bildar ett enda svart hål.

Simuleringarna har också hjälpt teamet att förstå de typiska egenskaperna hos stjärnorna som kan fortsätta att bilda sådana par av sammanslagna svarta hål och de miljöer där detta kan hända. Till exempel, teamet drog slutsatsen att en sammanslagning av två svarta hål med signifikant ojämna massor skulle vara en stark indikation på att stjärnorna nästan helt bildades av väte och helium, med andra element som bidrar med mindre än 0,1 % av stjärnmateria (som jämförelse, denna andel är cirka 2 % i solen).

Första författaren Simon Stevenson, doktorand vid University of Birmingham, förklarade:"Det fina med COMPAS är att det låter oss kombinera alla våra observationer och börja lägga pusslet om hur dessa svarta hål smälter samman, skickade dessa krusningar i rymdtiden som vi kunde observera vid LIGO."

Seniorförfattaren professor Ilya Mandel tillade:"Detta arbete gör det möjligt att bedriva en sorts 'paleontologi' för gravitationsvågor. En paleontolog, som aldrig har sett en levande dinosaurie, kan räkna ut hur dinosaurien såg ut och levde utifrån sina skelettrester. På ett liknande sätt, vi kan analysera sammanslagningarna av svarta hål, och använd dessa observationer för att ta reda på hur dessa stjärnor interagerade under deras korta men intensiva liv."