Yhdysvaltalaisen Rochester Institute of Technology -yliopiston johtama tutkijaryhmä on kehitellyt ensimmäisen laatuaan olevan  tietokonesimulaatiomallin, joka voi auttaa tutkijoita havainnoimaan toisiinsa törmääviä supermassiivisia mustia aukkoja.

Uudesta simulaatiomallista kertoivat muun muassa EurekAlert– ja Phys.org -sivustot. Tieteilijät esittelivät mallinsa Astrophysical Journal -tiedejulkaisussa julkaistussa tutkimusraportissa.

Lähes jokaisella nykyisin tunnetulla vähintään oman galaksimme eli Linnunradan kokoisella galaksilla on keskiössään supermassiivinen musta aukko, jonka massa vaihtelee sadoista tuhansista miljardeihin Auringon massoihin.

Tieteelliset havainnot ovat osoittaneet, että galaksien yhdistyminen on melko tavallinen ja usein sattuva ilmiö maailmankaikkeudessa. Tästä huolimatta kahden supermassiivisen mustan aukon kolarista ei olla kuitenkaan tehty vielä havaintoja.

”Tiedämme, että galaksit, joilla on supermassiivinen musta aukko keskustassaan, yhdistyvät keskenään jatkuvasti universumissa, mutta näemme vain pienen murto-osan niistä galakseista, joilla on niitä kaksi keskiönsä lähettyvillä”, kertoi tutkijaryhmän jäsen ja Nasalle työskentelevä astrofyysikko Scott Noble lehdistötiedotteessa.

Malli kertoo tähtitieteilijöille, miltä aukkojen yhdistymässä oleva, galaksin keskiössä esiintyvä kaksoisjärjestelmä näyttäisi nykypäivän teleskoopissa.

Toisiaan kiertävää aukkoparia yhteen vetävä voimakas vetovoima tuottaa aukkojen kertymäkiekkojen kaasussa rajuja kuumia paineaaltoja, jotka puolestaan synnyttävät ultravioletti- sekä röntgensäteilyn aallonpituuksilla valoa.

Koska nykyisellä Maahan sijoitetulla teknologialla ei kyetä tarkastelemaan suoraan supermassiivisten aukkojen kaksoisjärjestelmien tuottamia gravitaatioaaltoja, tutkijat katsovat ja mittailevat sähkömagneettisella spektrillä näkyvää valoa (ultraviolettisäteily, röntgensäteily) ja tekevät näkemänsä pohjalta johtopäätöksiä.

Toisin kuin Maassa, avaruudessa ei ole äärimmäisen tarkkaa havainnointia sotkevia painovoiman muutoksia, ilmakehän aiheuttamia häiriöitä tai seismistä värähtelyä.

Gravitaatioaaltotunnistimen tulee olla avaruudessa: Euroopan avaruusjärjestön ESA:n LISA (Laser Interferometer Space Antenna eli laserinterferometrinen avaruusantenni) -laitekokoonpano lähtenee suorittamaan tehtäväänsä 2030-luvulla. LISA:n avulla supermassiivisten aukkojen yhdistymisestä alkunsa saavia gravitaatioaaltoja voitaisiin havaita suoraan.

”Ne supermassiiviset aukkoparit, jotka me kykenemme havaitsemaan, eivät säteile voimakkaita gravitaatioaaltosignaaleja, koska ne ovat liian kaukana toisistaan. Meidän tavoitteemme on tunnistaa ensimmäistä kertaa ikinä, pelkkien valohavaintojen avulla, toisiaan lähempänäkin olevat parit, joista lähtevät gravitaatioaallot voidaan havaita tulevaisuudessa”, Scott Noble jatkoi.

”Erityispiirteisten valosignaalien ja niiden esiintymisajankohdan ennustaminen tulee auttamaan tieteilijöitä näiden jättiläismäisten törmäysten tunnistamisessa nykyisillä ja tulevilla teleskoopeilla. Se auttaa tutkijoita myös ymmärtämään paremmin, mitä useimpien galaksien keskustoissa tapahtuu”, kertoi tutkimusta johtanut Rochester Institute of Technology -yliopiston professori Manuela Campanelli lehdistötiedotteessa.

Tuore tutkimustyö perustuu Rochester Institute of Technology -yliopiston tieteilijöiden aiempaan tutkimukseen, joka esitti, että valosignaalien lähteinä toimisi kolme kaasukiekkoa: molemmilla supermassiivisilla aukoilla olisi ”seuralaiskiekko” eli kertymäkiekko, josta aukko syö kaasua. Näiden lisäksi olisi vielä yksi suuri kiekko, jonka sisällä pienemmät kiekot toimivat.

Supertietokoneella 46 päivässä aikaansaatu simulaatiomalli yhdistelee tietokokonaisuuksia, jotka on saatu haalittua epäsuorasti havaituista gravitaatioaalloista sekä valoaalloista ja korkeaenergisistä hiukkasista.

Simulaatio näyttää supermassiivisen aukkoparin kolme kiertoratakierrosta. Simulaation aukot ovat vain 40 kierroksen päässä toisiinsa törmäämisestä (ensimmäinen artikkelin lopussa oleva video kuvaa kyseistä asetelmaa).

Simulaation pohjalta tehdyt havainnollistavat videot ovat ensimmäisiä, jotka visualisoivat täydellisesti Albert Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian esittämiä vaikutuksia toisiaan kiertävien supermassiivisten mustien aukkojen ympärillä ja välissä kulkevien hiukkasten ja valon kohdalla.

”Videoissa voi nähdä gravitaatiolinssin ja hiuksenhienoja ilmiöitä, joita emme osanneet odottaa”, kertoi tutkimukseen osallistunut ranskalaisen École Normale Supérieure -korkeakoulun tohtoriopiskelija Stéphane d’Ascol lehdistötiedotteessa.

Katso videot tietokonesimulaatiomallista alta!