Astronomer fortsätter att utveckla datorsimuleringar för att hjälpa framtida observatorier bättre hemma i svarta hål, de mest svårfångade invånarna i universum.

Även om svarta hål sannolikt finns rikligt i universum, de är notoriskt svåra att se. Forskare tog inte den första radiobilden av ett svart hål förrän 2019, och endast cirka fyra dussin svarta hålssammanslagningar har upptäckts genom deras signatur gravitationsvågor sedan den första upptäckten 2015.

Det är inte mycket data att arbeta med. Så forskare tittar på svarta hålssimuleringar för att få avgörande insikter som kommer att hjälpa till att hitta fler sammanslagningar med framtida uppdrag. Några av dessa simuleringar, skapad av forskare som astrofysikern Scott Noble, spåra supermassiva svarta håls binära system. Det är där två svarta monsterhål som de som finns i galaxernas centrum kretsar tätt runt varandra tills de slutligen smälter samman.

Simuleringarna, skapad av datorer som arbetar genom uppsättningar av ekvationer som är för komplicerade för att lösa för hand, illustrera hur materia samverkar i fusionsmiljöer. Forskare kan använda vad de lär sig om sammanslagningar av svarta hål för att identifiera några avslöjande egenskaper som låter dem skilja sammanslagningar av svarta hål från stjärnhändelser. Astronomer kan sedan leta efter dessa tecken och upptäcka verkliga sammanslagningar av svarta hål.

Ädel, som arbetar på NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, sa att dessa binära system sänder ut gravitationsvågor och påverkar omgivande gaser, leder till unika ljusshower som kan detekteras med konventionella teleskop. Detta gör det möjligt för forskare att lära sig om olika aspekter av samma system. Multibudbärarobservationer som kombinerar olika former av ljus eller gravitationsvågor kan tillåta forskare att förfina sina modeller av binära system för svarta hål.

"Vi har förlitat oss på ljus för att se allt där ute, Sa Noble. Men allt avger inte ljus, så det enda sättet att direkt "se" två svarta hål är genom gravitationsvågorna de genererar. Gravitationsvågor och ljuset från omgivande gas är oberoende sätt att lära sig om systemet, och förhoppningen är att de ska mötas vid samma tidpunkt."

Binära svarta hålssimuleringar kan också hjälpa uppdraget Laser Interferometer Space Antenna (LISA). Detta rymdbaserade gravitationsvågsobservatorium, ledd av European Space Agency med betydande bidrag från NASA, förväntas lanseras 2034. Om simuleringar avgör vilka elektromagnetiska egenskaper som skiljer ett binärt svarthålssystem från andra händelser, forskare kunde upptäcka dessa system innan LISA flyger, Sa Noble. Dessa observationer kunde sedan bekräftas genom ytterligare upptäckter när LISA lanseras.

Det skulle göra det möjligt för forskare att verifiera att LISA fungerar, observera system under en längre period innan de smälter samman, förutsäga vad som kommer att hända, och testa dessa förutsägelser.

"Vi har aldrig kunnat göra det förut, Sa Noble. "Det är verkligen spännande."

Simuleringarna bygger på kod som beskriver hur densiteten och trycket hos plasma förändras i områden med stark gravitation nära ett enda svart hål eller neutronstjärna, Sa Noble. Han modifierade koden för att tillåta två svarta hål att utvecklas.

Noble arbetar med Goddard och universitetspartners, inklusive Bernard Kelly vid University of Maryland, Manuela Campanelli leder ett team av forskare vid Rochester Institute of Technology, och Julian Krolik leder ett forskningsteam vid Johns Hopkins University.

Kelly skapar simuleringar med hjälp av ett speciellt tillvägagångssätt som kallas en rörlig punkteringssimulering.

Dessa simuleringar gör det möjligt för forskare att undvika att representera en singularitet i händelsehorisonten – den del av det svarta hålet som ingenting kan fly från, sa Kelly. Allt utanför den händelsehorisonten utvecklas, medan föremålen inuti förblir frusna från tidigare i simuleringen. Detta gör att forskare kan förbise det faktum att de inte vet vad som händer inom en händelsehorisont.

För att efterlikna verkliga situationer, där svarta hål samlar ansamlingsskivor av gas, damm, och diffus materia, forskare måste införliva ytterligare kod för att spåra hur det joniserade materialet interagerar med magnetfält.

"Vi försöker sömlöst och korrekt limma ihop olika koder och simuleringsmetoder för att producera en sammanhängande bild, " sa Kelly.

Under 2018, teamet publicerade en analys av en ny simulering i The Astrophysical Journal som helt införlivade de fysiska effekterna av Einsteins allmänna relativitetsteori för att visa en sammanslagnings effekter på miljön runt den. Simuleringen fastställde att gasen i binära svarta hålssystem kommer att glöda övervägande i ultraviolett och röntgenljus.

Simuleringar visade också att accretion diskar i dessa system inte är helt jämna. En tät klump bildas som kretsar kring binären, och varje gång ett svart hål sveper nära, det drar bort materia från klumpen. Den kollisionen värmer upp saken, producerar en ljus signal och skapar en observerbar fluktuation av ljus.

In addition to improving their confidence in the accuracy of the simulations, Goddard astrophysicist Jeremy Schnittman said they also need to be able to apply the same simulation code to a single black hole or a binary and show the similarities and also the differences between the two systems.

"The simulation are going to tell us what the systems should look like, " Schnittman said. "LISA works more like a radio antenna as opposed to an optical telescope. We're going to hear something in the universe and get its basic direction, but nothing very precise. What we have to do is take other telescopes and look in that part of the sky, and the simulations are going to tell us what to look for to find a merging black hole."

Kelly said LISA will be more sensitive to lower gravitational wave frequencies than the current ground-based gravitational wave observer, the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO). That means LISA will be able to sense smaller-mass binary systems much earlier and will likely detect merging systems in time to alert electromagnetic telescopes.

For Schnittman, these simulations are key to understanding the real-life data LISA and other spacecraft collect. The case for models may be even stronger for binary black holes, Schnittman said, because the scientific community has little data.

"We probably will never find a binary black hole with a telescope until we simulate them to the point we know exactly what we're looking for, because they're so far away, they're so tiny, you're going to see just one speck of light, " Schnittman said. "We need to be able to look for that smoking gun."