Gravitationsvågsforskare vid University of Birmingham har utvecklat en ny modell som kan hjälpa astronomer att spåra uppkomsten av tunga svarta hålssystem i universum.

Svarta hål bildas efter stjärnors kollaps och möjligen supernovaexplosioner. Dessa kolossalt täta föremål mäts i termer av solmassor (M _⊙ ) - massan av vår sol.

Vanligtvis, stjärnor kommer bara att bilda svarta hål med massor på upp till 45 M _⊙ . Dessa system paras sedan ihop och slås samman, producerar gravitationsvågor som observeras av LIGO- och Virgo-detektorerna.

Stjärnkollaps, dock, orsakar instabiliteter som förhindrar bildandet av tyngre svarta hål – så en ny modell behövs för att förklara existensen av binära svarta hålssystem med massor större än cirka 50 M _⊙ .

Dessa objekt tros vara bildade av binära svarta hål som sedan har gått samman med andra svarta hål. Forskare tror att dessa "nästa generation" svarta hål — som består av sammanslagning av deras "föräldrar" — kan vara de tyngre svarta hålen som kan observeras av LIGO och Jungfrun.

I en ny studie, publiceras i Fysisk granskning D Snabb kommunikation, forskare från University of Birminghams Institute for Gravitational Wave Astronomy, tyder på att framtida upptäckter av flera generationer av fusioner med svarta hål skulle göra det möjligt för oss att ta reda på deras födelseplats. De har tagit fram nya beräkningar som kan hjälpa astronomer att bättre förstå dessa sammanslagningar – och var man kan hitta dem.

"Stjärnhopar - grupper av stjärnor som är bundna tillsammans av gravitationen - kan fungera som "barnkammare" med svarta hål, ger en idealisk miljö för att odla generationer av svarta hål, " förklarar Dr Davide Gerosa, huvudförfattare till tidningen. "Men för att veta vilken typ av stjärnhopar som mest sannolikt är kapabla att producera dessa, vi måste först veta något om de fysiska förutsättningarna som skulle behövas."

Teamet tror att de har hittat en del av lösningen på detta pussel genom att beräkna den sannolika "flykthastighet" som ett kluster behöver ha för att kunna ta emot ett svart hål med en massa över 50 M _⊙ . Flykthastigheten är den hastighet med vilken ett föremål skulle behöva färdas för att undkomma gravitationskraften. Till exempel, en raket som lämnar jorden skulle behöva färdas i 11 km/s (25, 000 mph) för att komma in i omloppsbana.

När de smälter samman, svarta hål får rekyler eller sparkar. Ungefär som en pistol backar när en kula skjuts, svarta hål rekylerar när gravitationsvågor sänds ut. Nästa generation av svarta hål kan bara bildas om deras föräldrar inte har "sparkats ut" ur klustret, d.v.s. endast om klustrets flykthastighet är tillräckligt stor.

Teamet beräknade att observera svarta hål med massa över 50 M _⊙ skulle antyda att klustret där de bodde hade en flykthastighet som var större än cirka 50 km/s.

Medförfattare professor Emanuele Berti från Johns Hopkins University, förklarar:"Gravitationsvågobservationer ger en aldrig tidigare skådad möjlighet att förstå de astrofysiska inställningarna där svarta hål bildas och utvecklas. En mycket massiv händelse skulle peka mot en tät miljö med stor flykthastighet".

Var kan du hitta dessa typer av täta kluster? Många förutsägelser för LIGO och Jungfrun har hittills koncentrerats på "klothopar" - sfäriska samlingar av omkring en miljon stjärnor som är tätt sammanbundna i galaxernas utkanter. Deras flykthastighet, dock, är för låg. Denna nya studie visar att det är osannolikt att klotkluster kommer att vara värd för flera generationer av svarta hål. Astronomer kommer att behöva se längre bort:kärnstjärnhopar, som finns mot mitten av vissa galaxer är tillräckligt täta och kan ge den typ av miljö som behövs för att producera dessa objekt.

"Gravitationsvågsastronomi revolutionerar vår förståelse av universum, " säger Dr. Gerosa. "Vi väntar alla på kommande resultat från LIGO och Jungfrun för att sätta dessa och andra astrofysiska förutsägelser på prov".