10.03.2022
Исследователи представили первое правдоподобное объяснение того, почему одна из самых массивных пар черных дыр, наблюдаемых на сегодняшний день с помощью гравитационных волн, слилась на некруговой орбите. Предложенное учеными решение, опубликованное в журнале Nature, предполагает хаотичную тройную драму внутри гигантского газового диска вокруг сверхмассивной черной дыры в другой галактике.
«Но как и где в нашей Вселенной такие черные дыры образуются и сливаются? Происходит ли это, когда близлежащие звезды коллапсируют и обе превращаются в черные дыры, происходит ли это в результате близких случайных столкновений в звездных скоплениях или что-то еще? Это ключевые вопросы новой эры астрофизики гравитационных волн», — говорит доцент Йохан Самсинг из Института Нильса Бора в Копенгагенском университете, ведущий автор статьи.
Самсинг и его команда, возможно, представили новое объяснение головоломки, которая решает последнюю часть тайны — над ней астрофизики бились последние нескольких лет.
Тайна восходит к 2019 году, когда обсерваториями LIGO и Virgo было сделано неожиданное открытие гравитационных волн. Событие, названное GW190521, представляет собой слияние двух черных дыр, которые были не только тяжелее, чем считалось физически возможным ранее, но и произвели вспышку света.
С тех пор были предоставлены возможные объяснения этим двум характеристикам, но гравитационные волны также выявили третью поразительную особенность этого события, а именно то, что черные дыры не вращались вокруг друг друга по окружности за несколько мгновений до слияния.
«Гравитационно-волновое событие GW190521 — самое удивительное открытие на сегодняшний день. Массы и вращения черных дыр уже были удивительными, но еще более удивительным было то, что у них не было круговой орбиты, ведущей к слиянию», — говорит соавтор работы Имре Бартос, профессор Университета Флориды.
Но почему некруговая орбита такая необычная и неожиданная?
Возможный ответ можно найти в суровых условиях в центрах галактик, в которых находится гигантская черная дыра, масса которой в миллионы раз превышает массу Солнца и которая окружена плоским вращающимся газовым диском.
«В этих средах типичная скорость и плотность черных дыр настолько высоки, что меньшие черные дыры подпрыгивают, как в гигантской игре в бильярд, и широкие круговые двойные системы не могут существовать», — отмечает соавтор, профессор Бенс Кочиш из Оксфордского университета.
Но, как утверждала группа, одной гигантской черной дыры недостаточно.
«Новые исследования показывают, что газовый диск играет важную роль в захвате черных дыр меньшего размера, которые со временем приближаются к центру, а также ближе друг к другу. Это не только означает, что они встречаются и образуют пары, но также и то, что такая пара может взаимодействуют с другой, третьей, черной дырой, что часто приводит к хаотичному танго с летающими вокруг тремя черными дырами», — объясняет астрофизик Хиромичи Тагава из Университета Тохоку, соавтор исследования.
Однако все предыдущие исследования вплоть до наблюдения GW190521 указывали на то, что образование эксцентричных слияний черных дыр происходит относительно редко. Естественно возникает вопрос: почему уже необычный источник гравитационных волн GW190521 также слился на эксцентрической орбите?
Все, что было рассчитано до сих пор, было основано на представлении о том, что взаимодействия черных дыр происходят в трех измерениях, как и ожидалось в большинстве рассмотренных до сих пор звездных систем.
«Но затем мы начали думать о том, что произошло бы, если бы взаимодействия черных дыр происходили в плоском диске, который ближе к двумерной среде. Удивительно, но в этом пределе мы обнаружили, что вероятность формирования эксцентрического слияния увеличивается в 100 раз, что приводит к тому, что около половины всех слияний черных дыр в таких дисках, возможно, являются эксцентричными, — говорит Йохан Самсинг и продолжает: — И это открытие невероятно хорошо согласуется с наблюдением 2019 года, которое в целом теперь указывает на то, что в остальном впечатляющие свойства этого источника снова не такие уж странные, если он был создан в плоском газовом диске, окружающем сверхмассивную черную дыру в ядре галактики».
Теория газового диска также согласуется с объяснениями других исследователей двух других загадочных свойств GW190521. Большие массы черной дыры были достигнуты последовательными слияниями внутри диска, в то время как излучение света могло происходить из окружающего газа.
«Теперь мы показали, что может быть огромная разница в сигналах, излучаемых черными дырами, которые сливаются в плоских двумерных дисках, по сравнению с сигналами, которые мы часто рассматриваем в трехмерных звездных системах, что говорит нам о том, что теперь у нас есть дополнительный инструмент, который мы можем использовать, чтобы узнать о том, как создаются и сливаются черные дыры в нашей Вселенной», — говорит Самсинг.
Но это исследование — только начало.
«Люди работали над пониманием структуры таких газовых дисков в течение многих лет, но проблема трудна. Наши результаты чувствительны к тому, насколько плоский диск и как в нем перемещаются черные дыры. узнать больше об этих дисках, когда у нас будет больше слияний черных дыр , включая более необычные случаи, подобные GW190521, Чтобы сделать это возможным, мы должны опираться на наше опубликованное открытие и посмотреть, куда оно приведет нас в этой новой и захватывающей области», — заключает соавтор Золтан Хайман.
Фото: phys.org
Нет комментариев