En ny simulering av supermassiva svarta hål – giganterna i galaxernas centrum – använder ett realistiskt scenario för att förutsäga ljussignalerna som sänds ut i den omgivande gasen innan massorna kolliderar, sade Rochester Institute of Technology-forskare.

Den RIT-ledda studien representerar det första steget mot att förutsäga den annalkande sammansmältningen av supermassiva svarta hål med hjälp av de två informationskanalerna som nu är tillgängliga för forskare - de elektromagnetiska och gravitationsvågspektra - känd som multimessenger astrofysik. Fynden visas i artikeln "Quasi-periodic Behavior of Mini-disks in Binary Black Holes Approaching Merger, " publicerad i Astrophysical Journal Letters .

"Vi har utfört den första simuleringen där en ackretionsskiva runt ett binärt svart hål matar individuella ackretionsskivor, eller minidiskar, runt varje svart hål i generell relativitetsteori och magnetohydrodynamik, sa Dennis Bowen, huvudförfattare och postdoktor vid RIT:s Center for Computational Relativity and Gravitation.

Till skillnad från sina mindre massiva kusiner, upptäcktes först 2016, supermassiva svarta hål matas av gasskivor som omger dem som munkar. Den starka gravitationskraften hos de svarta hålen som inspirerar mot varandra värmer och stör gasflödet från skiva till svart hål och avger periodiska signaler i de synliga för röntgenstrålning av det elektromagnetiska spektrumet.

"Vi har ännu inte sett två supermassiva svarta hål komma så nära, ", sa Bowen. "Det ger de första antydningarna om hur dessa sammanslagningar kommer att se ut i ett teleskop. Påfyllning och påfyllning av minidiskar påverkar ljussignaturerna."

Simuleringen modellerar supermassiva svarta hål i ett binärt par, var och en omgiven av sina egna gasskivor. En mycket större gasskiva omsluter de svarta hålen och matar oproportionerligt en minidisk över en annan, leder till påfyllnings- och påfyllningscykeln som beskrivs i tidningen.

"Evolutionen är tillräckligt lång för att studera hur det verkliga vetenskapsresultatet skulle se ut, sa Manuela Campanelli, chef för Center for Computational Relativity and Gravitation och en medförfattare på tidningen.

Binära supermassiva svarta hål avger gravitationsvågor vid lägre frekvenser än svarta hål med stjärnmassa. Det markbaserade laserinterferometerns gravitationsvågobservatorium, under 2016, upptäckte de första gravitationsvågorna från kollisioner med svarta hål från stjärnor med ett instrument inställt på högre frekvenser. LIGO:s känslighet är oförmögen att observera gravitationsvågsignalerna som produceras av supermassiv svart håls koalescens.

Lanseringen av den rymdbaserade laserinterferometerns rymdantenn, eller LISA, planerad till 2030-talet, kommer att upptäcka gravitationsvågor från kolliderande supermassiva svarta hål i kosmos. När den var i drift på 2020-talet, det markbaserade Large Synoptic Survey Telescope, eller LSST, under uppbyggnad i Cerro Pachón, Chile, kommer att producera den bredaste, djupaste undersökning av ljusemissioner i universum. Mönstret av signaler som förutspåddes i RIT-studien kan vägleda forskare att kretsa runt par av supermassiva svarta hål.

"I en tid präglad av multibudbärarastrofysik, simuleringar som denna är nödvändiga för att göra direkta förutsägelser av elektromagnetiska signaler som kommer att åtfölja gravitationsvågor, "Bowen sa. "Detta är det första steget mot det slutliga målet med simuleringar som kan göra direkta förutsägelser av den elektromagnetiska signalen från binära svarta hål som närmar sig sammanslagning."

Bowen och hans medarbetare kombinerade simuleringar från RIT:s Black Hole Lab-datorkluster och Blue Waters superdator vid National Center for Supercomputing Applications vid University of Illinois i Urbana-Champaign, en av de största superdatorerna i USA.

Astrofysiker från RIT, Johns Hopkins University och NASA Goddard Space Flight Center samarbetade i projektet. Publikationen är baserad på Bowens Ph.D. avhandling vid RIT och avslutar forskning påbörjad av en medförfattare, Scott Noble, en före detta RIT postdoktoral forskare, nu på NASA Goddard. Deras forskning är en del av ett samarbetsprojekt finansierat av National Science Foundation som leds av Campanelli. Medförfattare inkluderar Vassilios Mewes, RIT postdoc forskare; Miguel Zilhao, tidigare RIT-postdoktor, nu på Universidade de Lisboa, i Portugal; och Julian Krolik, professor i fysik och astronomi vid Johns Hopkins University.

I en kommande tidning, författarna kommer att undersöka ytterligare sambandet mellan gas som strömmar in och ut ur ackretionsskivorna och fluktuerande ljusemissioner. De kommer att presentera förutsägelser om ljussignaturer som forskare kan förvänta sig att se med avancerade teleskop när de letar efter supermassiva svarta hål som närmar sig sammanslagning.