Supermassiva svarta hål, de största svarta hålen i universum, tros ligga i mitten av de flesta galaxer. När galaxer kolliderar sammanförs också deras centrala svarta hål och sätter sig så småningom i ett binärt par. När dessa binära svarta hål går i spiral mot varandra, avger de kraftfulla gravitationsvågor, krusningar i rymdtidens krökning. 2015 upptäckte Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) de första gravitationsvågorna från ett sammansmältande binärt svart hålspar.
Hur exakt supermassiva svarta hål bildar par under galaxsammanslagningar har hittills varit dåligt förstått. Ett team av forskare från Center for Computational Astrophysics (CCA) vid Flatiron Institute i New York genomförde numeriska simuleringar för att undersöka detta problem. Resultaten, publicerade i tidskriften Physical Review Letters, visar hur supermassiva svarta hål blir gravitationsbundna under de kaotiska efterdyningarna av en galaktisk kollision.
Forskarna använde en teknik som kallas Smoothed Particle Hydrodynamics för att följa de komplexa rörelserna hos gasen och stjärnorna som utgör galaxer under en kollision. De fann att efter att två skivgalaxer gått samman bildar deras supermassiva svarta hål ett binärt par, även när de svarta hålen började relativt långt ifrån varandra. Detta händer eftersom stjärnorna och gasen i galaxerna fungerar som ett slags lim som håller ihop de svarta hålen genom deras gravitationsinteraktioner.
"Våra simuleringar visar hur supermassiva svarta hål bildar bundna par under galaxsammanslagningar, vilket är ett nödvändigt steg för att de så småningom ska smälta samman och sända ut gravitationsvågor. LIGO-observationerna av gravitationsvågor från sammanslagna svarta hål ger alltså indirekta insikter om dynamiken i galaxsammanslagningar, säger Volker Springel, CCA-medlem och professor i astrofysik vid Heidelberg Institute for Theoretical Studies.
Simuleringarna visar att galaxer med fler stjärnor och gas kan binda sina supermassiva svarta hål till tätare binära par än galaxer som är mindre täta. Egenskaperna för de binära svarta hålen som produceras i dessa simuleringar överensstämmer med observationerna av binära svarta hål som har gjorts av LIGO.
Den här forskningen ger viktiga insikter i fysiken kring galaxsammanslagningar. Dessa insikter kommer att vara avgörande för att upptäcka och tolka framtida gravitationsvågsignaler från sammanslagna svarta hål, och för att förstå galaxernas utveckling över tiden.
