 |
Ezen az oldalon az NKFI Elektronikus Pályázatkezelő Rendszerében nyilvánosságra hozott projektjeit tekintheti meg.
vissza »
|
 |
Projekt adatai |
|
|
| azonosító |
125675 |
| típus |
KH |
| Vezető kutató |
Kocsis Bence |
| magyar cím |
Galaxismagok fekete lyukai |
| Angol cím |
Black Holes of the Galactic Bulge |
| magyar kulcsszavak |
galaxisszerkezet, fekete lyukak, gravitációs hullámok |
| angol kulcsszavak |
galaxy structure, black holes, gravitational waves |
| megadott besorolás |
| Asztrofizika (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma) | 100 % |
|
| zsűri |
Fizika 1 |
| Kutatóhely |
Atomfizikai Tanszék (Eötvös Loránd Tudományegyetem) |
| résztvevők |
Deme Barnabás
Máthé Gergely
Szölgyén Ákos Dániel
|
| projekt kezdete |
2017-09-01 |
| projekt vége |
2020-02-29 |
| aktuális összeg (MFt) |
20.000 |
| FTE (kutatóév egyenérték) |
2.04 |
| állapot |
lezárult projekt |
magyar összefoglaló A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A pályázat célja a nemzetközileg kiemelkedő impaktú Brandt és Kocsis (2015, ApJ, 812, 15) publikáció (32 független hivatkozás 18 hónap alatt) következményeinek feltárása. Ezzel kiegészítjük három egyéb kiemelkedő impaktú publikációnk eredményét [O’Leary, Kocsis, Loeb, 2009, 112 független hivatkozás 8 év alatt; O’Leary, Meiron, Kocsis 2016, 14 független hivatkozás 9 hónap alatt; Bartos, Kocsis, Haiman, Marka 2017, 14 független hivatkozás) ]. Megvizsgáljuk a galaxismagokban eloszló kompakt objektumok várható térbeli eloszlását és következtetünk a várható gravitációs hullámok eseménygyakoriságára. Megmutatjuk, hogy a galaxisban befelé süllyedő gömbhalmazok által a középső régióba szállított fekete lyuk kettősök a LIGO-VIRGO detektorok számára fontos populációt alkothatnak. Megvizsgáljuk az ütköző fekete lyukak tömeg-, távolság-, és excentricitáseloszlását, ami a forráspopuláció azonosítására alkalmas lehet.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
Brandt és Kocsis (2015) cikkben megvizsgáltuk a Fermi űrszondával a galaxismag irányában megfigyelt nagyenergiás sugárzás karakterisztikáját, és megmutattuk, hogy a megfigyelést ismert asztrofizikai folyamattal lehet magyarázni. Megállapítottuk, hogy nincs szükség a korábbiakban felvetett, standard modellen kívüli sötét anyag annihilációjára. Ezt az eredményt a nemzetközi szakma széles körben elismeri. A sugárzás körülbelül háromezer milliszekundumos pulzárból jön, amik gömbhalmazokban keletkezett. A gömbhalmazok dinamikai súrlódással vándoroltak be a galaxismagba, míg az ottani árapályerők szét nem szakították azokat, tartalmuk az ottani tartományban szétoszlott. A milliszekundumos pulzárokon túl azonban a gömbhalmazok szabad fekete lyukakat és fekete lyuk kettősöket is tartalmaznak. Ezen csatornán keresztül érkező fekete lyukak eloszlására jelenleg nincsenek elméleti vizsgálatok, pedig ezen populáció a LIGO-VIRGO gravitációshullám detektorok által mérhető eseményeknek lényeges forrása lehet.
A LIGO detektorok elérték a fekete lyukak rendszeres detektálásához szükséges erzékenységet. A fő feladat az ütköző fekete lyuk kettősök asztrofizikai populációjának azonosítása. A különböző forrásmechanizmusok közül a LIGO-VIRGO mérésekkel a jövőben választani lehet. A gömbhalmazok által a galaxismagba transzportált fekete lyuk populáció, amit a pályázat során vizsgálni kívánunk, egy mindezidáig nem vizsgált lehetőség. Megvizsgáljuk, hogy eme populáció a LIGO-VIRGO által mért eseményeket meg tudja-e magyarázni. Továbbá megnézzük, hogy ez a populáció hogyan hat kölcsön a sötét anyaggal ha az naptömegű fekete lyukakból áll.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
Gravitációshullám asztrofizika egy újonnan születő tudományág. A gravitációshullámok egy olyan újszerű megfigyelést tesznek lehetővé amivel korábban megoldatlan lényeges kérdésekre kaphatunk választ. A modern fizika egyik legnagyobb megoldatlan problémája a sötét anyag eredete. Nemrégiben Bird et al. (2016) megmutatta, hogy a jelenleg bejelentett források alapján elképzelhető, hogy fekete lyukak alkotják a sötét anyagot, ha ezen fekete lyukak az általunk javasolt (O'Leary, Kocsis, Loeb 2009) gravitációshullám befogódás mechanizmussal ütköznek össze. Ha ez így van, akkor a gravitációshullám megfigyelésekkel mérhetővé válik eme misztikus komponens az univerzumban. Azonban sok más mechanizmus is okozhat fekete lyuk ütközéseket ha a sötét anyag nem fekete lyukakból áll. Ezen mechanizmusok azonban gyakran hiányosak vagy kevéssé értett fizikai folyamatoktól függnek (pl. gáz akkréció, magneto-hirdodinamikai turbulencia, stb).
Hasonló forradalmasító felvetés volt a galaxismagban megfigyelt nagyenergiás gamma sugárzás magyarázatára a standard modellen kívüli sötét anyag részecskék annihilációja. Ezt Brandt és Kocsis (2015) cikkünk elvetette a beeső gömbhalmazokból várható elektromágneses sugárzás elemzésével. A jelen pályázatban ugyanezen ötlet következményeit tárjuk fel a gravitációshullám-források magyarázatára vonatkozóan. Mivel a gömbhalmazok és a galaxismag dinamikáját gravitációs hatások dominálják amit számítógépen szimulálhatunk, a vizsgálni kívánt mechanizmussal keletkező fekete lyuk kettősökre lényeges ismeretlenektől mentes jóslatokat tehetünk. Ez megkülönbözteti ezt a forrásmechanizmust sok egyéb mechanizmustól amit a LIGO-VIRGO által megfigyelt fekete lyuk ütközéseket magyarázatára javasoltak. A projekt során meghatározott tömeg és excentricitáseloszlás a LIGO-VIRGO és a tervezett LISA űrdetektorokkal igazolható.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A gravitációs hullámok felfedezével megnyílt egy új tudományág: a gravitációshullám asztrofizika. A gravitációshullámok mérésével korábban megoldatlan lényeges kérdésekre kaphatunk választ. A megfigyelt ütközéseket az Univerzum 25%-át alkotó sötét anyag magyarázhatja, amennyiben az fekete lyukakból áll. A kutatás során a galaxis közepén megfigyelt nagyenergiás elektromágneses gamma sugárzás segítségével következtetünk a gravitációshullám források eredetére. A nagyenergiás elektromágneses sugárzás azt mutatja, hogy középre vándorló csillaghalmazok jelentős mennyiségű neutroncsillagot szállítottak a galaxisok közepére. Elméletileg megállapítható, hogy ezen folyamat fekete lyukakkal is be kellett hogy népesítse ugyanezen régiókat. A projekt a fekete lyuk ütközések értelmezésével vizsgálja az Univerzum szerkezetét.
| angol összefoglaló Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
We propose to explore the implications of the internationally outstanding publication Brandt és Kocsis (2015, ApJ, 812, 15) which accumulated 32 independent citations within 18 months. We investigate connections with three other outstanding publications [O’Leary, Kocsis, Loeb, 2009, 112 independent citations in 8 years; O’Leary, Meiron, Kocsis 2016, 14 independent citations in 9 months; Bartos, Kocsis, Haiman, Marka 2017, 14 independent citations) ]. We examine the distribution of compact objects in the galactic bulge and explore the implications on the expected rates of gravitational wave events. We show that the globular clusters which sink to the inner regions of the galaxy deliver black holes and black holes binaries which represent an imporant source population for the LIGO/VIRGO detectors. We examine the mass, distance, and eccentricity distributions of merging black holes, which may be essential for identifying this source population.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
In Brandt and Kocsis (2015) we investigated the characteristics of the high energy gamma ray excess emmission observed from the direction of the galactic bulge with the Fermi satellite. We found that contrary to previous claims, this emmission may be explained by standard astrophysical processes, and there is no need to invoke physics beyond the standard model, such as dark matter annihilation. This result is now widely accepted. The radiation is emitted by approximately three thousand millisecond pulsars which form in globular clusters. The globular clusters sink to the galactic bulge due to gravitational dynamical friction, where they were disrupted by gravitational tidal effects, spilling their contents in that region. In addition to millisecond pulsars, the globular clusters also contain black holes and black hole binaries. Currently there are no predictions for the distribution of the black holes from this source class, however, this population may represent an important source for LIGO-VIRGO gravitational wave detectors.
The LIGO detectors have reached the sensitivity to detect gravitational waves from black hole mergers in the Universe. The main question now is to identify the main astrophysical source population for the observed mergers. Based on the distribution of events, it is possible to distinguish different source populations with the LIGO-VIRGO measurements. The black holes delivered to the galactic bulge by globular clusters, the focus of this study, is a possibility that has not been discussed to date. We examine if this population may explain the event rates of LIGO-VIRGO sources and study the interaction of this population with dark matter.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
We are witnessing the dawn of a new field of research: gravitational wave astrophysics. Gravitational waves allow us to make novel observations of regions with which we can study previously unanswered questions. One of the great unsolved problems is the origin of dark matter in the Universe. Recently it was shown that dark matter may be made of stellar mass black holes (Bird et al. 2016), which generate black hole mergers due to occasional close encounters suggested by us previously in O'Leary, Kocsis, Loeb (2009) that is consistent with recent detections. However mergers may be caused by many other mechanisms even if dark matter is not made of black holes. We have an incomplete understanding of these mechanisms, which sometimes depend on processes not well understood.
Another recent revolutionary suggestion to explain the high energy gamma ray excess from the Galactic center was that observed signal is the result of annihilation of dark matter particles which are not included in the standard model. By analyzing the excepted emmission of infalling globular clusters, this claim was rejected in our paper Brandt & Kocsis (2015). We propose to explore the implications of this idea for the explanation of gravitational wave sources. Since the dynamics of globular clusters and galactic bulges are driven by gravitational effect which we can simulate, we may obtain robust estimates of the proposed source population of black hole mergers free of major theoretical unknowns. This distinguishes these sources from many other suggestions proposed to explain the LIGO events. If the predicted mass and eccentricity distribution of mergers is confirmed by LIGO-VIRGO and LISA observations, this would be a significant result.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
The detection of gravitational waves opened a new field in astrophysics. With the measurement of gravitational waves we can find answers to significant open questions. One proposed possibility to explain the observed black hole mergers is to suggest that dark matter, which constitutes 20% of the mass in the universe, is made of stellar mass black holes. We propose to study the origin of the electromagnetic emission of the galactic center. This suggests that star clusters which sank to the Galactic center delivered a significant population of neutron stars. This process must have also delivered black holes to this region. The project aims to examine the structure of the Universe by studying the interpretation of black hole mergers.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
Közleményjegyzék |
|
|
| Fragione, Giacomo; Kocsis, Bence: Black hole mergers from quadruples, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 486, 4781, 2019 | | Rasskazov, Alexander; Kocsis, Bence: The Rate of Stellar Mass Black Hole Scattering in Galactic Nuclei, Astrophysical Journal, 881, 20, 2019 | | Corley, K. Rainer; Bartos, Imre; Singer, Leo P.; Williamson, Andrew R.; Haiman, Zoltán; Kocsis, Bence; Nissanke, Samaya; Márka, Zsuzsa; Márka, Szabolcs: Localization of binary black hole mergers with known inclination, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 488, 4459, 2019 | | Fragione, Giacomo; Leigh, Nathan W. C.; Perna, Rosalba; Kocsis, Bence: Tidal disruption events on to stellar black holes in triples, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 489, 727, 2019 | | Yang, Y.; Bartos, I.; Gayathri, V.; Ford, K. E. S.; Haiman, Z.; Klimenko, S.; Kocsis, B.; Márka, S.; Márka, Z.; McKernan, B.; O'Shaughnessy, R.: Hierarchical Black Hole Mergers in Active Galactic Nuclei, Physical Review Letters, 123, 181101, 2019 | | Barack, Leor; Cardoso, Vitor; Nissanke, Samaya; Sotiriou, Thomas P.; Askar, Abbas; Belczynski, Chris; Bertone, Gianfranco; Bon, Edi; Blas, Diego; Brito, Richard; Bulik, Tomasz; Burrage, Clare; Byrnes, Christian T.; Caprini, Chiara; Chernyakova, Masha; Chruściel, Piotr; Colpi, Monica; Ferrari, Valeria; Gaggero, Daniele; Gair, Jonathan García-Bellido, Juan; Hassan, S. F.; Heisenberg, Lavinia; Hendry, Martin; Heng, Ik Siong; Herdeiro, Carlos; Hinderer, Tanja; Horesh, Assaf; Kavanagh, Bradley J.; Kocsis, Bence; et al.: Black holes, gravitational waves and fundamental physics: a roadmap, Classical and Quantum Gravity, 36, 143001, 2019 | | Szölgyén, Ákos; Meiron, Yohai; Kocsis, Bence: Anisotropic Mass Segregation in Rotating Globular Clusters, Astrophysical Journal, 887, 123, 2019 | | Gayathri V., Bartos I., Haiman Z., Klimenko S., Kocsis B., Márka S., Yang Y.: GW170817A as a Hierarchical Black Hole Merger, Astrophysical Journal Letters, 2020 | | Tagawa, Hiromichi; Haiman, Zoltan; Kocsis, Bence: Making a Supermassive Star by Stellar Bombardment, Astrophysical Journal, 892, 36, 2020 | | Deme, Barnabás; Meiron, Yohai; Kocsis, Bence: Intermediate-mass Black Holes' Effects on Compact Object Binaries, Astrophysical Journal, 892, 130, 2020 | | Fragione, Giacomo; Kocsis, Bence: Effective spin distribution of black hole mergers in triples, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 493, 3920, 2020 | | Deme, Barnabás; Hoang, Bao-Minh; Naoz, Smadar; Kocsis, Bence: Detecting Kozai-Lidov imprints on the gravitational waves of intermediate-mass black holes in galactic nuclei, Astrophysical Journal, elfogadva, 2020 | | Fragione, Giacomo; Metzger, Brian D.; Perna, Rosalba; Leigh, Nathan W. C.; Kocsis, Bence: Electromagnetic transients and gravitational waves from white dwarf disruptions by stellar black holes in triple systems, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 495, 1061, 2020 | | Yang, Y.; Bartos, I.; Haiman, Z.; Kocsis, B.; Márka, S.; Tagawa, H.: Cosmic Evolution of Stellar-mass Black Hole Merger Rate in Active Galactic Nuclei, Astrophysical Journal, 896, 138, 2020 | | Tagawa, Hiromichi; Haiman, Zoltán; Kocsis, Bence: Formation and Evolution of Compact-object Binaries in AGN Disks, Astrophysical Journal, 898, 25, 2020 | | Tagawa, Hiromichi; Haiman, Zoltán; Bartos, Imre; Kocsis, Bence: Spin Evolution of Stellar-mass Black Hole Binaries in Active Galactic Nuclei, Astrophysical Journal, 899, 26, 2020 | | Rasskazov, Alexander; Fragione, Giacomo; Kocsis, Bence: Binary Intermediate-mass Black Hole Mergers in Globular Clusters, Astrophysical Journal, 899, 149, 2020 | | Szölgyén, Ákos; Kocsis, Bence: Black Hole Disks in Galactic Nuclei, Physical Review Letters 121, 101101 (2018), 2018 | | Arca-Sedda, Manuel; Kocsis, Bence; Brandt, Timothy D.: Gamma-ray and X-ray emission from the Galactic centre: hints on the nuclear star cluster formation history, 479, 900, 2018 | | Fragione, Giacomo; Ginsburg, Idan; Kocsis, Bence: Gravitational Waves and Intermediate-mass Black Hole Retention in Globular Clusters, Astrophysical Journal, 856, 92, 2018 | | Gondán, László; Kocsis, Bence; Raffai, Péter; Frei, Zsolt: Eccentric Black Hole Gravitational-wave Capture Sources in Galactic Nuclei: Distribution of Binary Parameters, Astrophysical Journal, 860, 5, 2018 | | Gondán, László; Kocsis, Bence; Raffai, Péter; Frei, Zsolt: Accuracy of Estimating Highly Eccentric Binary Black Hole Parameters with Gravitational-wave Detections, Astrophysical Journal, 855, 34, 2018 | | Hoang, Bao-Minh; Naoz, Smadar; Kocsis, Bence; Rasio, Frederic A.; Dosopoulou, Fani: Black Hole Mergers in Galactic Nuclei Induced by the Eccentric Kozai-Lidov Effect, Astrophysical Journal, 856, 140, 2018 | | Meiron, Yohai; Kocsis, Bence: Diffusion and Mixing in Globular Clusters, Astrophysical Journal, 855, 87, 2018 | | Sesana, Alberto; Haiman, Zoltán; Kocsis, Bence; Kelley, Luke Zoltan: Testing the Binary Hypothesis: Pulsar Timing Constraints on Supermassive Black Hole Binary Candidates, Astrophysical Journal, Volume 856, Issue 1, article id. 42, 14, 2018 | | Kocsis, Bence; Suyama, Teruaki; Tanaka, Takahiro; Yokoyama, Shuichiro: Hidden Universality in the Merger Rate Distribution in the Primordial Black Hole Scenario, Astrophysical Journal, 854, 41, 2018 | | Tagawa, Hiromichi; Saitoh, Takayuki R.; Kocsis, Bence: Compact Object Mergers Driven by Gas Fallback, Physical Review Letters, 120, 261101, 2018 | | Takács, Ádám; Kocsis, Bence: Isotropic-Nematic Phase Transitions in Gravitational Systems. II. Higher Order Multipoles, Astrophysical Journal, 856, 113, 2018 | | Szölgyén, Ákos; Kocsis, Bence: Black Hole Disks in Galactic Nuclei, Physical Review Letters 121, 101101 (2018), 2018 | | Arca-Sedda, Manuel; Kocsis, Bence; Brandt, Timothy D.: Gamma-ray and X-ray emission from the Galactic centre: hints on the nuclear star cluster formation history, Monthly Notices of the Royal Astronomical Scociety, 479, 900, 2018 | | Fragione, Giacomo; Ginsburg, Idan; Kocsis, Bence: Gravitational Waves and Intermediate-mass Black Hole Retention in Globular Clusters, Astrophysical Journal, 856, 92, 2018 | | Gondán, László; Kocsis, Bence; Raffai, Péter; Frei, Zsolt: Eccentric Black Hole Gravitational-wave Capture Sources in Galactic Nuclei: Distribution of Binary Parameters, Astrophysical Journal, 860, 5, 2018 | | Gondán, László; Kocsis, Bence; Raffai, Péter; Frei, Zsolt: Accuracy of Estimating Highly Eccentric Binary Black Hole Parameters with Gravitational-wave Detections, Astrophysical Journal, 855, 34, 2018 | | Hoang, Bao-Minh; Naoz, Smadar; Kocsis, Bence; Rasio, Frederic A.; Dosopoulou, Fani: Black Hole Mergers in Galactic Nuclei Induced by the Eccentric Kozai-Lidov Effect, Astrophysical Journal, 856, 140, 2018 | | Meiron, Yohai; Kocsis, Bence: Diffusion and Mixing in Globular Clusters, Astrophysical Journal, 855, 87, 2018 | | Sesana, Alberto; Haiman, Zoltán; Kocsis, Bence; Kelley, Luke Zoltan: Testing the Binary Hypothesis: Pulsar Timing Constraints on Supermassive Black Hole Binary Candidates, Astrophysical Journal, Volume 856, Issue 1, article id. 42, 14, 2018 | | Kocsis, Bence; Suyama, Teruaki; Tanaka, Takahiro; Yokoyama, Shuichiro: Hidden Universality in the Merger Rate Distribution in the Primordial Black Hole Scenario, Astrophysical Journal, 854, 41, 2018 | | Tagawa, Hiromichi; Saitoh, Takayuki R.; Kocsis, Bence: Compact Object Mergers Driven by Gas Fallback, Physical Review Letters, 120, 261101, 2018 | | Takács, Ádám; Kocsis, Bence: Isotropic-Nematic Phase Transitions in Gravitational Systems. II. Higher Order Multipoles, Astrophysical Journal, 856, 113, 2018 | | Fragione, Giacomo; Kocsis, Bence: Black Hole Mergers from an Evolving Population of Globular Clusters, Physical Review Letters, 121, 161103, 2018 | | Fragione, Giacomo; Leigh, Nathan W. C.; Ginsburg, Idan; Kocsis, Bence: Tidal Disruption Events and Gravitational Waves from Intermediate-mass Black Holes in Evolving Globular Clusters across Space and Time, Astrophysical Journal, Volume 867, 119, 2018 | | Gondán, László; Kocsis, Bence: Measurement Accuracy of Inspiraling Eccentric Neutron Star and Black Hole Binaries Using Gravitational Waves, Astrophysical Journal, 871, 178, 2019 | | Hoang, Bao-Minh; Naoz, Smadar; Kocsis, Bence; Farr, Will M.; McIver, Jessica: Detecting Supermassive Black Hole-induced Binary Eccentricity Oscillations with LISA, Astrophysical Journal Letters, 875, 31, 2019 | | Yang, Y.; Bartos, I.; Haiman, Z.; Kocsis, B.; Márka, Z.; Stone, N. C.; Márka, S.: AGN Disks Harden the Mass Distribution of Stellar-mass Binary Black Hole Mergers, Astrophysical Journal, 876, 122, 2019 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
