När LIGOs tvillingdetektorer först plockade upp svaga vinglar i sina respektive, identiska speglar, signalen gav inte bara den första direktdetekteringen av gravitationella vågor - den bekräftade också förekomsten av stjärna binära svarta hål, vilket gav upphov till signalen i första hand.

Stjärna binära svarta hål bildas när två svarta hål, skapad av resterna av massiva stjärnor, börja kretsa om varandra. Så småningom, de svarta hålen smälter samman i en spektakulär kollision som, enligt Einsteins allmänna relativitetsteori, bör frigöra en enorm mängd energi i form av gravitationella vågor.

Nu, ett internationellt team som leds av MIT astrofysiker Carl Rodriguez föreslår att svarta hål kan samarbeta och slå samman flera gånger, producerar svarta hål som är mer massiva än de som bildas från enstaka stjärnor. Dessa "andra generationens sammanslagningar" bör komma från globulära kluster-små områden i rymden, vanligtvis vid kanterna av en galax, som är fyllda med hundratusentals till miljoner stjärnor.

"Vi tror att dessa kluster bildades med hundratals till tusentals svarta hål som snabbt sjönk ner i mitten, "säger Carl Rodriguez, en Pappalardo -stipendiat vid MIT:s avdelning för fysik och Kavli Institute for Astrophysics and Space Research. "Den här typen av kluster är i huvudsak fabriker för binära bin i svarta hål, där du har så många svarta hål som hänger i ett litet område av rymden att två svarta hål skulle kunna smälta samman och producera ett mer massivt svart hål. Då kan det nya svarta hålet hitta en annan följeslagare och slå samman igen. "

Om LIGO upptäcker en binär med en svart hålskomponent vars massa är större än runt 50 solmassor, enligt gruppens resultat, det finns en god chans att objektet inte uppstod från enskilda stjärnor, men från ett tätt stjärnkluster.

"Om vi ​​väntar tillräckligt länge, så kommer LIGO så småningom att se något som bara kunde ha kommit från dessa stjärnkluster, eftersom det skulle vara större än någonting du kan få från en enda stjärna, "Säger Rodriguez.

Han och hans kollegor rapporterar sina resultat i ett papper som visas i Fysiska granskningsbrev .

Rinnande stjärnor

Under de senaste åren har Rodriguez har undersökt beteendet hos svarta hål i globulära kluster och om deras interaktioner skiljer sig från svarta hål som upptar mindre befolkade regioner i rymden.

Globulära kluster finns i de flesta galaxer, och deras antal skalor med en galax storlek. Enorm, elliptiska galaxer, till exempel, värd för tiotusentals av dessa stjärnkonglomerationer, medan vårt eget Vintergatan rymmer cirka 200, med närmaste kluster som bor cirka 7, 000 ljusår från jorden.

I deras nya tidning, Rodriguez och hans kollegor rapporterar med hjälp av en superdator som heter Quest, vid Northwestern University, för att simulera komplexet, dynamiska interaktioner inom 24 stjärnkluster, varierar i storlek från 200, 000 till 2 miljoner stjärnor, och täcker en rad olika densiteter och metalliska kompositioner. Simuleringarna modellerar utvecklingen av enskilda stjärnor inom dessa kluster under 12 miljarder år, efter deras interaktion med andra stjärnor och, i sista hand, bildandet och utvecklingen av de svarta hålen. Simuleringarna modellerar också banorna för svarta hål när de väl bildas.

"Det fina är, eftersom svarta hål är de mest massiva föremålen i dessa kluster, de sjunker till mitten, där du får en tillräckligt hög densitet av svarta hål för att bilda binärer, "Säger Rodriguez." Binära svarta hål är i princip som gigantiska mål som hänger i klustret, och när du kastar andra svarta hål eller stjärnor på dem, de genomgår dessa galna kaotiska möten. "

Allt är relativt

När de kör sina simuleringar, forskarna lade till en viktig ingrediens som saknades i tidigare försök att simulera globulära kluster.

"Vad folk hade gjort tidigare var att behandla detta som ett rent newtonskt problem, "Rodriguez säger." Newtons gravitationsteori fungerar i 99,9 procent av alla fall. De få fall där det inte fungerar kan vara när du har två svarta hål som susar av varandra väldigt nära, vilket normalt inte händer i de flesta galaxer. "

Newtons relativitetsteori förutsätter att om de svarta hålen var obundna till att börja med, ingen skulle påverka den andra, och de skulle helt enkelt gå förbi varandra, oförändrad. Detta resonemang härrör från det faktum att Newton inte insåg existensen av gravitationella vågor - som Einstein mycket senare förutspådde skulle komma från massiva kretsande föremål, som två svarta hål i närheten.

"I Einsteins allmänna relativitetsteori, där jag kan avge gravitationsvågor, då när ett svart hål passerar nära ett annat, det kan faktiskt avge en liten puls av gravitationella vågor, "Rodriguez förklarar." Detta kan subtrahera tillräckligt med energi från systemet för att de två svarta hålen faktiskt ska bli bundna, och sedan kommer de snabbt att gå samman. "

Teamet bestämde sig för att lägga till Einsteins relativistiska effekter i deras simuleringar av globulära kluster. Efter att ha kört simuleringarna, de såg svarta hål som smälte samman med varandra för att skapa nya svarta hål, inuti själva stjärnklustren. Utan relativistiska effekter, Newtons gravitation förutspår att de flesta binära svarta hålen skulle sparkas ut ur klustret av andra svarta hål innan de kunde gå samman. Men genom att ta hänsyn till relativistiska effekter, Rodriguez och hans kollegor fann att nästan hälften av de binära svarta hålen gick samman i sina stjärnkluster, skapa en ny generation svarta hål som är mer massiva än de som bildas från stjärnorna. Vad som händer med de nya svarta hålen inuti klustret är en snurrfråga.

"Om de två svarta hålen snurrar när de går samman, det svarta hålet de skapar kommer att avge gravitationsvågor i en enda föredragen riktning, som en raket, skapa ett nytt svart hål som kan skjuta ut så snabbt som 5, 000 kilometer per sekund - så, vansinnigt snabb, "Säger Rodriguez." Det tar bara en spark på kanske några tiotals till hundra kilometer per sekund för att komma undan ett av dessa kluster. "

På grund av denna effekt, forskare har i stor utsträckning kommit på att produkten av en sammanslagning av ett svart hål skulle bli sparkad ur klustret, eftersom det antogs att de flesta svarta hål snurrar snabbt.

Detta antagande, dock, verkar motsäga mätningarna från LIGO, som hittills bara har upptäckt binära svarta hål med låga snurr. För att testa konsekvenserna av detta, Rodriguez ringde ner snurrarna på de svarta hålen i sina simuleringar och fann att i detta scenario, nästan 20 procent av binära svarta hål från kluster hade minst ett svart hål som bildades i en tidigare sammanslagning. Eftersom de bildades från andra svarta hål, några av dessa andra generationens svarta hål kan ligga i intervallet 50 till 130 solmassor. Forskare tror att svarta hål i denna massa inte kan bildas från en enda stjärna.

Rodriguez säger att om gravitationsvågsteleskop som LIGO detekterar ett objekt med en massa inom detta område, det finns en god chans att den inte kommer från en enda kollapsande stjärna, men från ett tätt stjärnkluster.

"Jag och mina medförfattare satsar på att ett par personer studerar binär stjärnbildning att inom de första 100 LIGO-upptäckterna, LIGO kommer att upptäcka något inom detta övre massgap, "Säger Rodriguez." Jag får en fin flaska vin om det råkar vara sant. "