Слияние двух черных дыр: Отсчет пошел. Ученые спрогнозировали мощную вспышку в космосе |

Содержание

Отсчет пошел. Ученые спрогнозировали мощную вспышку в космосе

https://ria.ru/20220321/chernye_dyry-1778790576.html

Отсчет пошел. Ученые спрогнозировали мощную вспышку в космосе

Отсчет пошел. Ученые спрогнозировали мощную вспышку в космосе — РИА Новости, 04.04.2022

Отсчет пошел. Ученые спрогнозировали мощную вспышку в космосе

В ближайшие три года человечество увидит вспышку от слияния двух черных дыр в другой галактике — таковы результаты моделирования ученых из Китая и Канады… РИА Новости, 04.04.2022

2022-03-21T08:00

2022-04-04T11:07

наука

физика

астрономия

астрофизика

специальная астрофизическая обсерватория ран

государственный астрономический институт имени штернберга

черная дыра

гравитация

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdnn21.img.ria.ru/images/07e6/03/0f/1778241015_0:60:1216:744_1920x0_80_0_0_1381f283c30cff83281f12fbd13b9faa. jpg

МОСКВА, 21 мар — РИА Новости, Татьяна Пичугина. В ближайшие три года человечество увидит вспышку от слияния двух черных дыр в другой галактике — таковы результаты моделирования ученых из Китая и Канады. Насколько достоверно предсказание и каковы последствия этого события — в материале РИА Новости.Пара черных дырОдно из самых интересных явлений из всех, что исследуют астрономы, — слияние галактик. Процесс занимает миллиарды лет и оказывает большое влияние на Вселенную. Ученые наблюдают разные стадии этого гравитационного взаимодействия, включая сближение центральных черных дыр, чья масса больше солнечной в десятки и сотни раз.Не исключено, что в ближайшее время ученые зафиксируют процесс слияния сверхмассивных черных дыр — их еще называют активными ядрами галактик. Это произойдет, если окажется верным предсказание специалистов из нескольких научных организаций Китая и Канады относительно галактики SDSSJ1430+2303.На первый взгляд, это обычная эллиптическая галактика, уступающая по массе нашему Млечному Пути. Ее наблюдают на красном смещении 0,08105.»Она достаточно близкая, с активным ядром. По современным представлениям, в центре каждой достаточно большой галактики есть сверхмассивная черная дыра. От падения на нее — если вокруг много межзвездного газа — выделяется большое количество энергии. Авторы измерили спектры этого излучения из центральной области, увидели изменения светимости во времени и предположили, что там две сливающиеся, тесно расположенные черные дыры», — рассказывает доктор физико-математических наук Алексей Моисеев, ведущий научный сотрудник лаборатории спектроскопии и фотометрии внегалактических объектов САО РАН.Такие галактики с активными ядрами называют сейфертовскими — в честь астронома Карла Сейферта, впервые описавшего их почти 80 лет назад. Эти объекты расположены к нам гораздо ближе, чем квазары, поэтому их удобнее изучать.На чем построена модельСудя по данным Слоановского цифрового небесного обзора, последние три года оптическая яркость галактики SDSSJ1430+2303 менялась, при этом периоды между вспышками становились все короче. Это подтвердили наблюдения в обзоре по поиску транзиентов Zwicky Transient Facitity с начала 2019-го по август 2021 года. Затем объект стал недоступен для оптических телескопов из-за близости к Солнцу, и ученые переключились на рентгеновский телескоп орбитальной обсерватории Swift. В этом диапазоне осцилляции излучения также участились. В целом за три года периодичность сократилась с двенадцати месяцев до одного. Как пишут авторы работы, такое явление у активных ядер галактик удалось увидеть впервые.»Ученые проанализировали длительный ряд наблюдательных данных. То, что светимость разная, — это нормально: из-за темпа, с каким вещество поступает в ядро. Важно, что не совсем периодически меняется яркость ядра галактики. Идет последовательность вспышек, причем период между ними уменьшается. Это хорошо описывает гипотеза о двух черных дырах, время вращения между которыми сокращается», — продолжает астрофизик.Ученые полагают, что одна черная дыра — крупная, а вторая, гораздо менее массивная, движется по сильно вытянутой наклоненной орбите. Данные Слоановского обзора начиная с 2005 года говорят в пользу этой версии. Если все так, значит, объект SDSSJ1430+2303 образовался в процессе слияния галактик-компаньонов более миллиарда лет назад. Тесная пара черных дыр в центре — единственный наблюдаемый след того далекого события. Судя по их активности в последние годы, столкновение не за горами. Моделирование показывает, что ждать осталось сто-триста дней, максимум — три года.»Оценки довольно смелые. Думаю, другие ученые тоже будут наблюдать этот объект. Событие близкое, поэтому важно иметь как можно больше данных. Мне самому интересно. Прямо сейчас открывается сезон видимости, мы постараемся получить новые спектры на шестиметровом телескопе САО РАН. Их качество должно быть не хуже, чем в приводимых в статье данных с 2,5-метровых телескопов», — заключает Алексей Моисеев.Вспышка во всей красеСтолкновение сверхмассивных черных дыр в SDSSJ1430+2303 породит мощную вспышку, сопровождаемую гравитационными волнами низкой частоты. Их существование подтвердили в 2015-м на детекторе LIGO, уловив сигнал от слияния двух относительно небольших объектов — массой в десятки солнечных. Событие же, о котором идет речь, (если, конечно, предсказание верно) — вне чувствительности этой установки.Гравитационный сигнал из галактики SDSSJ1430+2303 смог бы зафиксировать на нижнем пределе возможностей лазерный космический интерферометр LISA, но его планируют запустить не раньше 2030-го. Остается пульсарный тайминг (Pulsar Timing Array), статистику от которого предстоит набирать около пяти лет.Однако событие не пройдет незамеченным. Ведь ожидаются мощные выбросы электромагнитных волн в диапазоне от радио до рентгена, доступные множеству инструментов на орбите и Земле, включая небольшие телескопы, — как например, в сети «Мастер» ГАИШ МГУ. Возможно, удастся зафиксировать и поток высокоэнергетичных нейтрино на крупнейших астрофизических детекторах Baikal-GVD на Байкале и IceCube в Антарктиде.

https://ria.ru/20211021/galaktiki-1755467426.html

https://ria.ru/20211013/neytrino-1754025433.html

РИА Новости

4.7

internet-group@rian. ru

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

2022

Татьяна Пичугина

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

1920

1080

true

1920

1440

true

https://cdnn21.img.ria.ru/images/07e6/03/0f/1778241015_72:0:1144:804_1920x0_80_0_0_9d91b041429bf7dbc398123133828fbe.jpg

1920

true

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Татьяна Пичугина

физика, астрономия, астрофизика, специальная астрофизическая обсерватория ран, государственный астрономический институт имени штернберга, черная дыра, гравитация

Наука, Физика, Астрономия, астрофизика, Специальная астрофизическая обсерватория РАН, Государственный астрономический институт имени Штернберга, черная дыра, гравитация

МОСКВА, 21 мар — РИА Новости, Татьяна Пичугина. В ближайшие три года человечество увидит вспышку от слияния двух черных дыр в другой галактике — таковы результаты моделирования ученых из Китая и Канады. Насколько достоверно предсказание и каковы последствия этого события — в материале РИА Новости.

Пара черных дыр

Одно из самых интересных явлений из всех, что исследуют астрономы, — слияние галактик. Процесс занимает миллиарды лет и оказывает большое влияние на Вселенную. Ученые наблюдают разные стадии этого гравитационного взаимодействия, включая сближение центральных черных дыр, чья масса больше солнечной в десятки и сотни раз.

Не исключено, что в ближайшее время ученые зафиксируют процесс слияния сверхмассивных черных дыр — их еще называют активными ядрами галактик. Это произойдет, если окажется верным предсказание специалистов из нескольких научных организаций Китая и Канады относительно галактики SDSSJ1430+2303.

На первый взгляд, это обычная эллиптическая галактика, уступающая по массе нашему Млечному Пути. Ее наблюдают на красном смещении 0,08105.

«Она достаточно близкая, с активным ядром. По современным представлениям, в центре каждой достаточно большой галактики есть сверхмассивная черная дыра. От падения на нее — если вокруг много межзвездного газа — выделяется большое количество энергии. Авторы измерили спектры этого излучения из центральной области, увидели изменения светимости во времени и предположили, что там две сливающиеся, тесно расположенные черные дыры», — рассказывает доктор физико-математических наук Алексей Моисеев, ведущий научный сотрудник лаборатории спектроскопии и фотометрии внегалактических объектов САО РАН.

Такие галактики с активными ядрами называют сейфертовскими — в честь астронома Карла Сейферта, впервые описавшего их почти 80 лет назад. Эти объекты расположены к нам гораздо ближе, чем квазары, поэтому их удобнее изучать.

CC BY 4.0 / Legacy Surveys / D. Lang (Perimeter Institute)Сейфертовская галактика SDSSJ1430+2303, где, согласно моделированию, расположена тесная пара сверхмассивных черных дыр

CC BY 4. 0 / Legacy Surveys / D. Lang (Perimeter Institute)

Сейфертовская галактика SDSSJ1430+2303, где, согласно моделированию, расположена тесная пара сверхмассивных черных дыр

На чем построена модель

Судя по данным Слоановского цифрового небесного обзора, последние три года оптическая яркость галактики SDSSJ1430+2303 менялась, при этом периоды между вспышками становились все короче. Это подтвердили наблюдения в обзоре по поиску транзиентов Zwicky Transient Facitity с начала 2019-го по август 2021 года. Затем объект стал недоступен для оптических телескопов из-за близости к Солнцу, и ученые переключились на рентгеновский телескоп орбитальной обсерватории Swift. В этом диапазоне осцилляции излучения также участились. В целом за три года периодичность сократилась с двенадцати месяцев до одного. Как пишут авторы работы, такое явление у активных ядер галактик удалось увидеть впервые.

«Ученые проанализировали длительный ряд наблюдательных данных. То, что светимость разная, — это нормально: из-за темпа, с каким вещество поступает в ядро. Важно, что не совсем периодически меняется яркость ядра галактики. Идет последовательность вспышек, причем период между ними уменьшается. Это хорошо описывает гипотеза о двух черных дырах, время вращения между которыми сокращается», — продолжает астрофизик.

21 октября 2021, 02:00Наука

Ученые выяснили, как образовались первые галактики во Вселенной

Ученые полагают, что одна черная дыра — крупная, а вторая, гораздо менее массивная, движется по сильно вытянутой наклоненной орбите. Данные Слоановского обзора начиная с 2005 года говорят в пользу этой версии. Если все так, значит, объект SDSSJ1430+2303 образовался в процессе слияния галактик-компаньонов более миллиарда лет назад. Тесная пара черных дыр в центре — единственный наблюдаемый след того далекого события. Судя по их активности в последние годы, столкновение не за горами. Моделирование показывает, что ждать осталось сто-триста дней, максимум — три года.

«Оценки довольно смелые. Думаю, другие ученые тоже будут наблюдать этот объект. Событие близкое, поэтому важно иметь как можно больше данных. Мне самому интересно. Прямо сейчас открывается сезон видимости, мы постараемся получить новые спектры на шестиметровом телескопе САО РАН. Их качество должно быть не хуже, чем в приводимых в статье данных с 2,5-метровых телескопов», — заключает Алексей Моисеев.

Вспышка во всей красе

Столкновение сверхмассивных черных дыр в SDSSJ1430+2303 породит мощную вспышку, сопровождаемую гравитационными волнами низкой частоты. Их существование подтвердили в 2015-м на детекторе LIGO, уловив сигнал от слияния двух относительно небольших объектов — массой в десятки солнечных. Событие же, о котором идет речь, (если, конечно, предсказание верно) — вне чувствительности этой установки.

Гравитационный сигнал из галактики SDSSJ1430+2303 смог бы зафиксировать на нижнем пределе возможностей лазерный космический интерферометр LISA, но его планируют запустить не раньше 2030-го. Остается пульсарный тайминг (Pulsar Timing Array), статистику от которого предстоит набирать около пяти лет.

Однако событие не пройдет незамеченным. Ведь ожидаются мощные выбросы электромагнитных волн в диапазоне от радио до рентгена, доступные множеству инструментов на орбите и Земле, включая небольшие телескопы, — как например, в сети «Мастер» ГАИШ МГУ. Возможно, удастся зафиксировать и поток высокоэнергетичных нейтрино на крупнейших астрофизических детекторах Baikal-GVD на Байкале и IceCube в Антарктиде.

13 октября 2021, 08:00Наука

Итог холодной войны. Во что ученые превратили озеро Байкал

Дано объяснение всех загадочных свойств события слияния черных дыр GW190521

Опубликовано 9 марта в 19:00

9.8K

Like
Love
Haha
Wow
Sad
Angry

132312

В 2019 году гравитационно-волновыми обсерваториями LIGO и «Virgo» было зафиксировано событие, выделявшееся на фоне других.

Ученые впервые смогли объяснить сразу все три необычных свойства события слияния пары черных дыр, зафиксированного в 2019 году детекторами гравитационных волн. Разработанная ими модель, опубликованная в журнале Nature, описывает взаимодействие трех компонентов и предполагает, что столкновение произошло в далекой галактике в гигантском диске из газа, вращающемся вокруг центральной сверхмассивной черной дыры.

Художественное представление роя черных дыр звездной массы в диске из газа, окружающем сверхмассивную черную дыру в центре галактики. Credit: J. Samsing/Niels Bohr Institute

Черные дыры являются одними из самых удивительных объектов во Вселенной, однако наши знания о них на протяжении десятилетий были сильно ограничены из-за того, что сами по себе они не испускают свет. Но в 2015 году был совершен прорыв – впервые были зафиксированы гравитационные волны от слияния двух черных дыр, что позволило сделать большой шаг в их изучении.

«Но как и где во Вселенной образуются и сливаются черные дыры? Происходят ли эти события, когда две близко расположенные звезды коллапсируют и превращаются в черные дыры, или они результат случайных столкновений в звездных скоплениях, или что-то еще? Это одни из ключевых вопросов новой эры гравитационно-волновой астрофизики», – говорит Йохан Самсинг, ведущий автор исследования из Института Нильса Бора Копенгагенского университета (Дания).

Неожиданное открытие

В 2019 году гравитационно-волновыми обсерваториями LIGO и «Virgo» было зафиксировано неожиданное событие, получившее обозначение GW190521. Считается, что его участниками стали две черные дыры с массами, превосходящими физически возможные, кроме этого, слияние сопровождалось вспышкой света, и, что наиболее странно, объекты, двигаясь навстречу друг другу, вращались не по круговым орбитам, а по эллиптическим.

Художественное представление черных дыр, породивших событие GW190521. Credit: Deborah Ferguson, Karan Jani, Deirdre Shoemaker, Pablo Laguna, Georgia Tech, MAYA Collaboration

«Событие GW190521 – самое удивительное на сегодняшний день. Необычные массы и спины черных дыр уже фиксировались, но некруговая орбита крайне удивительна, так как без влияния третьего тела это не вписывается в фундаментальную природу гравитационных волн», – отметил Имре Бартос, соавтор исследования из Университета Флориды (США).

Нужен третий

Возможное решение всех необычных свойств события GW190521 удалось найти в суровых условиях в центре галактики, содержащей гигантскую черную дыру с массой в несколько миллионов солнечных и окруженной плоским вращающимся диском из газа.

«Диск играет важную роль в захвате черных дыр небольшого размера, которые со временем приближаются к центру и друг к другу. Это говорит не только о том, что они встречаются и образуют пары, но и о частых взаимодействиях таких дуэтов с еще одной черной дырой, иногда приводящих к тройному хаотическому танго», – пояснил Хиромичи Тагава, соавтор исследования из Университета Тохоку (Япония).

Черная дыра с аккреционным диском и струей светящегося горячего газа. Credits: NASA/JPL-Caltech

Однако все предыдущие исследования указывали на то, что слияния черных дыр на эксцентричных орбитах, создаваемых воздействием третьего объекта, происходят крайне редко. Естественно возникает вопрос: почему уже и без того необычное событие GW190521 прошло по такому сценарию?

Двухмерный бильярд

Все, что было рассчитано до сих пор, опиралось на взаимодействие черных дыр в трех измерениях, как это ожидается в звездных системах.

«И тут мы задумались, что произойдет, если этот процесс будет протекать в плоском диске, который ближе к двумерной среде. Удивительно, но вероятность эксцентричного слияния выросло в сто раз. Это приводит к тому, что примерно половина всех слияний в дисках, окружающих сверхмассивные черные дыры, будут характеризоваться вытянутыми орбитами», – заявили авторы исследования.

Эволюция черных дыр, породивших событие GW190521. Credit: Deborah Ferguson, Karan Jani, Deirdre Shoemaker, Pablo Laguna, Georgia Tech, MAYA Collaboration

Это решение невероятно хорошо согласуется с наблюдением события GW190521: большие массы черных дыр были достигнуты последовательными слияниями внутри диска, вспышка света берет свое начало в заполняющем его газе, а вытянутые орбиты результат взаимодействия объектов в невероятно агрессивной и плотной среде.

«Теперь мы выяснили, что существует огромная разница в сигналах, испускаемых черными дырами, которые сливаются в плоских двумерных дисках и в трехмерных звездных системах. Это дает нам дополнительный инструмент, который можно использовать для понимания процессов создания и столкновения этих экзотических объектов нашей Вселенной», – заключил Йохан Самсинг.

определить автоматически

Закрыть

Астрономы увидели в небе яркую вспышку. Это столкнулись две черные дыры

Николай Воронин
Корреспондент по вопросам науки

26 июня 2020

Подпишитесь на нашу рассылку ”Контекст”: она поможет вам разобраться в событиях.

Автор фото, Getty Images

Впервые в истории науки астрономам удалось воочию увидеть столкновение двух невидимых объектов — черных дыр. Одним из последствий удара стала яркая вспышка света, благодаря которой ученые и смогли разглядеть это редчайшее явление.

Черные дыры не могут испускать свет по определению: их гравитация настолько велика, что вырваться из ее объятий не под силу ни физическим объектам, ни электромагнитному излучению. Так что произошедший случай можно считать если не уникальным, то по меньшей мере исключительно редким явлением.

Ученые нашли самую близкую к Земле черную дыру. Почему это важно? Рассказывает астрофизик
Астрономы поймали с поличным редкую черную дыру, пожирающую соседнюю звезду
Черные дыры не только пожирают звезды, они могут зажигать их заново
«Звездный монстр»: ученые обнаружили огромную черную дыру, которая не должна существовать

В результате удара и последующего слияния двух черных дыр образовалось новое небесное тело, масса которого превышает солнечную примерно в 100 раз.

До сих пор о столкновении двух столь массивных объектов узнавали лишь по косвенным признакам — например, зафиксировав приборами порожденные ударом гравитационные волны.

Однако на этот раз слияние произошло поблизости от третьей черной дыры, значительно большей массы. Ее гравитация резко оттолкнула образовавшийся в результате столкновения объект, заставив его прочертить яркую линию в окружающем веществе (аккреционном диске).

«Если приведенные в статье данные точны, это открытие дает науке неоценимую информацию о среде, в которой рождаются источники гравитационных волн, — объяснил Би-би-си профессор кафедры астрономии Женевского университета Тассос Фрагос. — Однако достоверно подтвердить взаимосвязь между электромагнитными и гравитационными колебаниями в данном конкретном случае невозможно».

Существование гравитационных волн было предсказано Альбертом Эйнштейном еще больше 100 лет назад, но впервые их удалось обнаружить лишь в 2015 году. Два года спустя это открытие было удостоено Нобелевской премии по физике.

Представьте себе, что кто-то за вашей спиной бросил в реку камень.

Автор фото, Getty Images

Подпись к фото,

Гравитационные волны в результате столкновения двух массивных объектов расходятся подобно кругам по воде от брошенного камня

Вы не видели, как это произошло, но обернулись, услышав всплеск. Поскольку сам камень уже ушел под воду, его вы не видите — но можете достаточно точно сказать, где именно он упал, поскольку видите круги, расходящиеся по поверхности вокруг места падения.

Примерно то же самое произошло на расстоянии нескольких миллиардов световых лет от Земли в направлении созвездия Феникса. 21 мая 2019 года обсерватория LIGO в США и европейский детектор Virgo зафиксировали исходящие оттуда гравитационные волны.

Автор фото, Getty Images

Подпись к фото,

Поскольку черные дыры обладают гигантской массой, вокруг них скапливается слой раскаленного трением падающего газа

Пропустить Подкаст и продолжить чтение.

Подкаст

Что это было?

Мы быстро, просто и понятно объясняем, что случилось, почему это важно и что будет дальше.

эпизоды

Конец истории Подкаст

Ученые поняли, что там произошло столкновение двух черных дыр, рассчитали приблизительное место удара — и стали пристально наблюдать за этой областью космоса.

Результаты наблюдений оказались неожиданными. С высокой долей вероятности одним из последствий столкновения стала яркая вспышка света, зафиксированная телескопом в Сан-Диего буквально через несколько дней.

Но как объяснить вспышку слиянием двух невидимых тел?

Как объясняют астрономы, скорее всего, находящаяся поблизости от места удара сверхмассивная черная дыра придала новому объекту дополнительное ускорение — и тот понесся по длинной эллиптической орбите, рассекая окружающее космическое вещество со скоростью около 200 км/с.

Поскольку черные дыры обладают гигантской массой, вокруг них скапливается слой раскаленного трением падающего газа, известного как аккреционный диск. В нем телескопы и заметили яркую вспышку, совпадающую с гравитационными волнами по времени и направлению.

Автор фото, NASA

Подпись к фото,

Связанные намертво взаимным тяготением, две черные дыры вращаются друг вокруг друга, постепенно сжимая объятия, пока не сольются в одно тело

«Когда газ рассекает подобный быстро несущийся массивный объект, происходит яркая вспышка, которую можно разглядеть в телескоп», — объясняет один из авторов открытия, профессор астрономии Калифорнийского технологического института Барри Маккернан.

Астрономы продолжают наблюдения и ожидают, что через несколько лет вспышка повторится — когда на обратном пути новый объект вновь прорежет раскаленный газ, окружающий сверхмассивную черную дыру.

Ученые надеются, что за счет таких исключительно редких событий им удастся лучше рассчитать нахождение других черных дыр и лучше понять природу этих загадочных объектов.

«Любое неожиданное открытие, ставящее под вопрос принятые на сегодняшний день теории, рождает новые возможные объяснения и помогает нам приблизиться к пониманию Вселенной, — говорит профессор Фрагос. — И это удивительное открытие как раз из их числа».

Астрономы впервые обнаружили черную дыру промежуточной массы

04.09.2020 01:54

1453

Добавить в закладки

Команды обсерваторий LIGO и VIRGO зарегистрировали
короткий сигнал гравитационной волны GW190521, исходящий от
столкновения двух гигантских черных дыр, которые при слиянии
образовали черную дыру промежуточной массы: ее «вес» составляет
142 солнечные массы, передает портал
EurekAlert!. Статьи с описанием открытия опубликованы в
журналах Physical Review
Letters и Astrophysical Journal
Letters.

Две черные дыры объединились, когда Вселенной было всего около
семи миллиардов лет, что составляет половину от ее нынешнего
возраста. Масса одной из них больше массы Солнца в 85 раз, а
другой – в 66. При слиянии они сформировали еще большую черную
дыру, которая тяжелее Солнца в 142 раза. На сегодняшний день этот
объект является самой большой черной дырой, найденной с помощью
гравитационных волн.

Объект относится к числу черных дыр промежуточной массы.
Так обычно называют черные дыры, которые «весят» больше
Солнца в 100-100 000 раз. Они тяжелее черных дыр звездной массы,
но легче сверхмассивных черных дыр, часто расположенных в центрах
галактик.

Помимо результата столкновения, исследователей также
заинтересовал один из его участников – большая из двух черных
дыр. Ее масса в 85 раз превышает солнечную, а таких черных дыр,
согласно современным моделям эволюции звезд, не должно
существовать. Черная дыра образуется – по одному из реалистичных
сценариев – в результате коллапса массивной звезды. Считается,
что после смерти звезда с массой до 130 солнечных масс образуется
черная дыра, масса которой не превышает 65 солнечных. А звезда,
которая тяжелее Солнца в 200 раз и более, «схлопывается» в черную
дыру с массой от 120 солнечных. Те же звезды, масса которых
находятся в диапазоне 130-200 солнечных масс, как правило,
переживают процесс так называемой парной нестабильности, в
результате чего звезда разлетается на части, не оставляя после
себя ничего.

Возможно, черная дыра – более массивный участник столкновения –
образовалась не в результате коллапса звезды. Одна из гипотез
ученых состоит в том, что подобная черная звезда родилась
при слиянии двух меньших черных дыр. Либо она может
быть одной из первых черных дыр, которые сформировались после
Большого взрыва.

Также исследователи команды LIGO/VIRGO рассматривают другие
источники сигнала гравитационной волны GW190521, который они
зафиксировали 21 мая 2019 года. Согласно одной из версий, всплеск
гравитационной волны мог возникнуть при коллапсе звезды
в нашей галактике Млечный Путь или исходить от
гипотетической космической струны. Тем не менее, слияние
двух черных дыр лучше всего соответствует полученному сигналу.

[Иллюстрация: MARK MYERS, ARC CENTRE OF EXCELLENCE FOR
GRAVITATIONAL WAVE DISCOVERY (OZGRAV)]

Автор Материал Оформила Татьяна Матвеева

ligo
virgo
Вселенная
гравитационные волны
столкновение черных дыр
черная дыра промежуточной массы
черные дыры

Источник:
www.eurekalert.org

Информация предоставлена Информационным агентством «Научная Россия». Свидетельство о регистрации СМИ: ИА № ФС77-62580, выдано
Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций 31 июля 2015 года.

НАУКА ДЕТЯМ

Россия-1 о лауреатах Нобелевской премии по физике 2022

21:45 / Физика

Профессор Сергей Кулик о Нобелевской премии по физике за 2022 год

20:00 / Наука и общество, Физика

Четвероногих роботов научили бегать в дикой природе

20:00 / Новые технологии

В Институте космических исследований РАН прошел День космической науки

18:00 / Астрономия, Астрофизика, Космология, Космонавтика

Ученым вручили премии Правительства РФ в области образования

17:45 / Наука и общество, Образование

Лекторий и мастер-классы РНФ в Зарядье на Фестивале НАУКА 0+

17:30 / Наука и общество

В зоологическом музее МГУ появились очень редкие трихоплаксы

15:49 / Биология, География, Науки о земле

В Салехарде стартовало мероприятие-спутник Конгресса молодых ученых

14:37 / Наука и общество

Ученые выяснили вкусовые предпочтения азиатского морского окуня

13:30 / Биология

Нобелевскую премию по физике 2022 присудили за новаторство в квантовой информатике

13:15 / Наука и общество, Физика

Памяти великого ученого. Наука в глобальном мире. «Очевиднное — невероятное» эфир 10.05.2008

04.03.2019

Памяти великого ученого. Нанотехнологии. «Очевидное — невероятное» эфир 3.08.2002

04.03.2019

Вспоминая Сергея Петровича Капицу

14.02.2017

Смотреть все

Слияние двух дыр

Ученые вновь зафиксировали гравитационные волны – уже в четвертый раз за полтора года, прошедшие с тех пор, как это произошло впервые. Об этом было объявлено на специально созванной в среду, 27 сентября, в итальянской Каскине пресс-конференции.

Научные открытия не часто представляют с такой официальной помпой, поэтому многие ученые и журналисты ожидали более сенсационного объявления: ходили слухи, что специалисты совместной коллаборации VIRGO (Италия) и LIGO (США) объявят о фиксации гравитационных волн, порожденных слиянием двух нейтронных звезд, а не черных дыр, как до этого. Но нет: речь опять про черные дыры, просто впервые в истории гравитационные волны были пойманы сразу же тремя датчиками – двумя от коллаборации LIGO в американских Луизиане и Вашингтоне и еще одним – неподалеку от Пизы в Италии. Впрочем, есть основания надеяться, что колебания пространства и времени от слияния нейтронных звезд ученые уже тоже видели, но объявят об этом чуть позже.

Само наблюдение было сделано еще 14 августа этого года – как обычно в подобных случаях, полтора месяца ученым понадобилось, чтобы обработать данные и убедиться, что приборы детектировали именно чрезвычайно слабые гравитационные волны, а не посторонние шумы. Теперь сомнений нет: сигнал – легчайшая рябь в пространстве и времени – следствие космической катастрофы, произошедшей очень далеко и очень давно. На расстоянии около 2 миллиардов световых лет от Земли была система, состоящая из двух обращающихся вокруг общего центра масс черных дыр. Расстояние между ними постепенно сокращалось, пока два объекта не соединились – это слияние сопровождалось огромным выбросом энергии. Две черные дыры массами в примерно 31 и 25 масс солнца превратились в одну – массой в 53 солнечных. Таким образом материя массой в три солнца превратилась в гравитационно-волновую энергию – эти колебания пространства-времени и зафиксировали земляне через два миллиарда лет.

Ловят эти колебания с помощью специальных интерферометров. Дизайн детекторов LIGO и VIRGO схож: лазерный луч разделяется на два перпендикулярных пучка, они направляются по двум очень длинным трубкам (у LIGO – четырехкилометровым, у VIRGO – трехкилометровым), и бегают по ним, отражаясь от зеркал. Потом пучки снова складываются: если длины плеч прибора оставались одинаковыми, получается интерферационная картинка, как у исходного луча, а вот если на трубки воздействовала гравитационная волна (она немного изменяет расстояние между зеркалами), это будет заметно в получившемся сигнале.

Казалось бы, ничего особенно сложного – даже странно, что гравитационные волны, предсказанные еще Эйнштейном, мы экспериментально зафиксировали позже бозона Хиггса, для которого пришлось строить колоссальный Большой адронный коллайдер. Сергей Попов, астрофизик, ведущий научный сотрудник Государственного астрономического института имени Штернберга (ГАИШ МГУ), объясняет, что это не так:

“Эксперимент по фиксации гравитационных волн – совершенно запредельной сложности именно в реализации. То есть достигнута очень большая точность, и в этом смысле ее смогли достичь, когда было сделано очень много высокотехнологичных разработок, связанных с чем угодно, от поддержания вакуума в этих четырехкилометровых тоннелях, до устройства зеркал, их подвесов, как эти зеркала напыляли… Потому что если там чуть-чуть не так напылить, то шумы не дадут обнаружить сигнал, что-то не так прикрутить – тоже все это будет происходить”. Попов считает, что детекторы гравитационных волн – одно из современных чудес света, наряду с БАК и Международной космической станцией. Семь чудес света тоже были в первую очередь технологическими достижениями».

Так выглядят детекторы LIGO в Вашингтоне и Луизиане

Состоявшееся наблюдение – уже четвертое такого рода, первое состоялось 14 сентября 2015 года (сообщили о нем только в феврале 2016-го). Нынешний прорыв – скорее технологический: в дело включился новый, европейский прибор VIRGO. Исследователи ожидают, что фиксация гравитационных волн теперь станет заурядным, еженедельным событием, во всяком случае в период наблюдений – следующий планируется на осень 2018 года. Кроме того, наличие на Земле трех детекторов позволяет значительно уточнить локализацию – район, где именно произошло событие, вызвавшее колебание пространства-времени.

«Точность возросла почти в 10 раз, – объясняет Сергей Попов. – Если раньше при двух детекторах LIGO речь шла о сотнях квадратных градусов, теперь речь идет о десятках квадратных градусов».

Это можно сравнить с сотней лунных дисков на небе – по сравнению с тысячей раньше. Но зачем нужна такая точность? В случае, когда гравитационные волны порождаются черными дырами, в общем не нужна. Мы не можем направить свои телескопы в нужное место, потому что ничего там не сможем увидеть: черные дыры по определению не излучают. А вот если возмущение пространства-времени вызвано, например, слиянием нейтронных звезд, ситуация намного интереснее, потому что его можно фактически увидеть.

Локализация источника сигнала при детектировании только LIGO и LIGO и VIRGO вместе

«При их слиянии идет гравитационно-волновой сигнал и, более-менее одновременно, происходит так называемый гамма-всплеск, – объясняет Попов. – Мы его не обязательно видим, поскольку это очень направленное излучение, но в нескольких процентах случаев мы можем ожидать, что луч попадает на нас. Кроме этого, после слияния нейтронных звезд значительная часть вещества, несколько десятых массы, сбрасывается, и в этом веществе происходят реакции термоядерного синтеза, образуются тяжелые элементы. Кстати, почти все золото, в том числе в ваших украшениях, когда-то образовалось именно в таком процессе. И вот это облако вещества, расширяющееся, в котором прошли термоядерные реакции, светится. И на протяжении довольно длительного времени после слияния, речь идет о днях, неделях, а не секундах, можно ожидать наблюдение вот этого их послесвечения».

Свечение это очень яркое – его можно сравнить с сотней новых звезд (изначально считалось, что тысячью – отсюда и название). Такое событие вполне можно наблюдать с Земли, если знать, куда смотреть. Если пойман гамма-всплеск, то этого достаточно для очень точной локализации, но он может уйти в другую сторону, и тогда на помощь придут гравитационные волны. Если и когда LIGO вместе с VIRGO поймают волну именно от пары нейтронных звезд, их данные позволят указать относительно небольшой сектор на небе, где в течение следующих недель можно обнаружить свечение в оптическом и инфракрасном диапазоне.

«Конечно, люди хотят увидеть все в комплексе – гравитационно-волновой всплеск, килоновую и гамма-всплеск. И действительно, когда все вместе, это не просто спортивный интерес – и поулпозишн получить, и самый быстрый круг, и гонку выиграть, это действительно дает новую физику. Потому что для одного и того же события будут измерены масса нейтронных звезд, масса того, что получилось, размеры нейтронных звезд, сколько было сброшено вещества, какие там прошли реакции. Все вместе, конечно, позволяет гораздо больше узнавать, гораздо лучше выжимать теоретические модели. А если модели не описывают, то, соответственно, продвигаться дальше», – говорит Попов.

Фантазия художника на тему слияния двух черных дыр

Гравитационные волны открывают для нас еще один орган чувств, с помощью которого мы можем познавать Вселенную, как если бы человек, обладавший раньше только зрением, теперь получил еще и слух. Астрофизики мечтают «услышать» таким образом нейтронные звезды – поэтому анонс вчерашней пресс-конференции VIRGO вызвал ажиотаж, многие надеялись, что объявление будет связано именно с ними:

“Грядущие данные по гравитационным волнам при слиянии нейтронных звезд очень сильно помогут продвинуться, позволят точно определять радиусы нейтронных звезд, что сразу связано с их внутренним строением, возможно, предельные массы нейтронных звезд, и может быть, еще какие-то детали», – надеется Сергей Попов.

Новости оказались не такими захватывающими, но в академической среде ходит слух, что само событие все-таки произошло, просто о нем решили объявить позже, намекает он:

«С одной стороны, официально ничего не объявляется, а с другой стороны, любой ученый на вопрос в фейсбуке получает от коллег, я думаю, абсолютно правильную, но без деталей информацию о том, что, да, зарегистрировали, да, в октябре ожидается официальная пресс-конференция. Так что, в общем, слухи очень надежные, остается просто дождаться деталей».

Ученые предупредили о взрыве двух танцующих черных дыр

Волновой эффект затронет всю Вселенную.

Две сверхмассивные черные дыры, застывшие в космическом «танце», обречены на взрыв через 10 000 лет. Распространение волновых эффектов от этой катастрофы затронет всю Вселенную, сообщает Daily Mail.

Черные дыры, расположенные на расстоянии около 9 млрд световых лет от Земли, по-видимому, вращаются вокруг друг друга каждые два года, считает группа исследователей из Калифорнийского технологического института. Масса каждого из двух гигантских тел в сотни миллионов раз превышает массу Солнца.

Расстояние между черными дырами составляет 2000 астрономических единиц (расстояние между Землей и Солнцем), что примерно в 50 раз превышает расстояние между Солнцем и Плутоном. Ожидается, что, когда пара сольется примерно через 10 000 лет, колоссальное столкновение сотрясет пространство и время, посылая гравитационные волны по всей Вселенной.

Дуэт сверхмассивных черных дыр вращается вокруг друг друга в центре квазара, называемого PKS 2131-021. Квазары — это крайне энергичные активные ядра галактик, в которых сверхмассивная черная дыра выкачивает материал из окружающего ее диска.

Мощная струя, исходящая от одной из двух черных дыр внутри PKS 2131-021, смещается вперед и назад из-за орбитального движения пары. Это вызывает периодические изменения яркости радиосвета квазара, которые были зарегистрированы пятью наземными обсерваториями, в том числе радиообсерваторией Оуэнс — Вэлли Калифорнийского технологического института. PKS 2131-021 (принадлежит к подклассу квазаров, называемых блазарами, в которых струя направлена на Землю).

«Когда мы поняли, что пики и спады кривой изменения яркости, обнаруженные в последнее время, совпадают с пиками и спадами, наблюдаемыми между 1975 и 1983 годами, мы поняли, что происходит что-то особенное», — сказала автор исследования Сандра О’Нил. PKS 2131-021 теперь является вторым известным кандидатом на роль пары сверхмассивных черных дыр, пойманных в процессе слияния.

Все галактики имеют в своем ядре сверхмассивную черную дыру. Когда приток газа и пыли к этой черной дыре достигает определенного уровня, это событие может привести к образованию квазара — очень яркой области, поскольку материал вращается вокруг черной дыры. Квазары существуют в среднем всего от 10 до 100 млн лет, что делает их относительно сложными для обнаружения в галактиках, которым несколько миллиардов лет.

Тайны черных дыр: 6 занимательных вопросов астрофизикам

Вселенские рекорды

На сайте могут быть использованы материалы интернет-ресурсов Facebook и Instagram, владельцем которых является компания Meta Platforms Inc., запрещённая на территории Российской Федерации.

Странное в небе: топ-10 необычных атмосферных явлений

Рассказываем и показываем самые редкие явления природы, от ложного солнца до небесных дыр

Евгения Шмелева

4 октября 2022

118063

Вопрос: что это?

Подсказка: назначение — бытовое, время — с XV века до наших дней

4 октября 2022

Почему осенью нам грустно?

Где искать лекарство от плохого настроения.

Юлия Скопич

3 октября 2022

Названы 24 зарубежные страны, куда можно купить тур с прямым рейсом

4 октября 2022

Исследование: медведям нужно гораздо меньше мяса, чем считается

4 октября 2022

Альпинист-любитель попытался взойти на Монблан без теплой одежды и снаряжения

4 октября 2022

Цветок вишневого атласа: в Африке открыли новый вид ириса

4 октября 2022

Пять великих крепостных России

Наш мир «не нашими» глазами

Существует ли самое большое число?

Самое большое водное растение

Кто живет в пустыне

10 самых больших самолетов в мире

10 самых ядовитых змей в мире

Мы используем cookie-файлы

ОАО «Моя Планета» использует cookie-файлы для улучшения работы и пользования сайта https://moya-planeta. ru/. Более подробную информацию о Политике ОАО «Моя Планета» по работе с cookie-файлами можно найти здесь, о Политике ОАО «Моя Планета» в отношении обработки персональных данных можно узнать здесь. Продолжая пользоваться сайтом https://moya-planeta.ru/, Вы подтверждаете, что были проинформированы об использовании cookie-файлов сайтом https://moya-planeta.ru/ и согласны с Политикой ОАО «Моя Планета» по работе с cookie-файлами. Вы можете отключить cookie-файлы в настройках Вашего браузера.

Черная дыра, образовавшаяся в результате неравномерного слияния, могла выйти из-под контроля

Две черные дыры вращаются вокруг друг друга, готовясь к слиянию, запуская гравитационные волны.
(Изображение предоставлено НАСА)

Астрономы обнаружили первое убедительное доказательство того, что события слияния черных дыр могут вызвать «толчок», достаточно мощный, чтобы заставить черную дыру вылететь из своей галактики.

Группа, в которую входил Виджей Варма, физик из Института гравитационной физики им. Макса Планка Института Альберта Эйнштейна, Германия, изучила данные о гравитационных волнах, полученные в результате слияния, известного как GW200129.собранные детекторами LIGO и их европейским аналогом Virgo. Благодаря этому анализу ученые обнаружили, что черная дыра , образовавшаяся в результате этого столкновения и слияния, была отправлена в космос со скоростью 3 миллиона миль в час (4,8 миллиона километров в час) — открытие, которое один из членов команды назвал «одновременно удивительным и шокирующим».

«Когда две черные дыры сталкиваются, они оставляют после себя более массивный остаток черной дыры. Этот процесс может придать остатку черной дыры отдачу», — сказал Варма, ведущий автор статьи, подробно описывающей работу команды. .ком.

Связанные : 8 способов узнать, что черные дыры действительно существуют ткань пространства. Эти выбросы вызывают сжатие орбиты, что приводит к столкновению и слиянию черных дыр.

Однако, если черные дыры имеют неравные массы или спины, это приводит к асимметрии в излучении гравитационных волн, при этом они в основном излучаются в одном направлении. Поскольку основные законы физики требуют сохранения импульса, эта асимметрия приводит к сильному толчку, заставляющему оставшуюся черную дыру отскакивать в противоположном направлении.

«Слияния черных дыр также испускают гравитационное излучение, подобное астрофизическим процессам, которые испускают электромагнитное излучение — свет», — продолжил Варма.

Эти сильные толчки ожидаются, когда орбитальная плоскость слияния прецессирует или «качается». Орбитальная прецессия наблюдается как малоамплитудная модификация в гравитационно-волновом сигнале. «Эта двойная система черных дыр также является первым сигналом, показывающим сильные признаки орбитальной прецессии, в результате чего плоскость орбиты колеблется», — сказал Space.com соавтор Скотт Филд, математик из Массачусетского университета в Дартмуте.

Варма добавил, что, анализируя гравитационное излучение, астрономы и астрофизики могут узнать о слияниях черных дыр. Кроме того, поскольку черные дыры влияют на эволюцию галактик, изучение этих процессов может показать, как развиваются группы звезд, таких как Млечный Путь .

Это первый раз, когда астрономы собрали убедительные доказательства того, что такое слияние может выбросить образовавшуюся черную дыру из своей галактики.

Удар, нанесенный событием слияния, мог выбросить черную дыру из ее галактики, оставив ее блуждать в космосе в одиночестве. (Изображение предоставлено Центром космических полетов Годдарда НАСА; фон, ESA/Gaia/DPAC)

(открывается в новой вкладке)

«В отличие от ранее наблюдавшихся событий слияния черных дыр, это первое событие, дающее убедительные доказательства огромной скорости отдачи. На самом деле достаточно большая, чтобы остатки черной дыры, скорее всего, вырвались из среды своего обитания», — сказал Филд. «Хотя мы знали, что общая теория относительности в принципе допускает такие экстремальные возможности, мы не знали, создаст ли их Вселенная. Конечная скорость черной дыры достаточно велика, чтобы, скорее всего, превысить скорость убегания окружающей ее среды».

Филд добавил, что этот результат будет иметь важное значение и для сценариев формирования двойных черных дыр. Это связано с тем, что сверхмассивные черные дыры, такие как Стрелец A* (Sgr A*) в сердце Млечного Пути, образуются в результате серии столкновений, которые ученые называют «иерархическими слияниями». Черные дыры, выброшенные из галактики, не могут участвовать в этом процессе.

Открытие слияний, достаточно однобоких, чтобы дать мощный толчок черным дырам, теперь возможно благодаря технологии, позволяющей более точно обнаруживать гравитационные волны.

«Слияния черных дыр не излучают никакого света, поэтому гравитационные волны — единственный способ наблюдать и узнавать о них. Мы бы не узнали об этой выброшенной черной дыре без обсерваторий гравитационных волн», — добавил Филд.

Ученые не совсем уверены, где возникло событие гравитационной волны GW200129, поэтому Филд указывает, что команда не может полностью быть уверена, что черная дыра была выброшена из своей галактики, но это вероятный результат ее движения с такими экстремальными скоростями. , по мнению исследователей.

«Если это действительно так, то сейчас он сам по себе бродит по вселенной как блуждающая черная дыра», — сказал Варма.

Иллюстрация LISA , предлагаемого космического детектора гравитационных волн , который может исследовать дальнейшие слияния черных дыр. (Изображение предоставлено НАСА)

(открывается в новой вкладке)

Произошедшее здесь слияние может быть уменьшенной версией еще более драматичного события, отметил он. «Подобное явление происходит, когда сливаются сверхмассивные черные дыры, что может произойти после слияния галактик», — сказал Варма. «Последняя сверхмассивная черная дыра может быть смещена из центра слившейся галактики или даже выброшена из него, оставив после себя галактику без центральной черной дыры».

Хотя существующие детекторы гравитационных волн недостаточно мощные, чтобы наблюдать слияния сверхмассивных черных дыр, авторы добавили, что будущие космические детекторы, такие как предлагаемая миссия лазерного интерферометра с космической антенной (LISA), могут это сделать.

Истории по теме:

«Гравитационно-волновая астрономия сделала много значительных, действительно замечательных открытий за последние пять лет или около того», — сказал Филд. «До первого обнаружения гравитационных волн мантрой нашей области было то, что гравитационные волны откроют новое окно во Вселенную. И это подтверждалось с каждым новым запуском наблюдений LIGO».

Исследование описано в статье , опубликованной 12 мая в журнале Physical Review Letters.

Вы можете следить за Робом Ли в Твиттере по адресу @sciencef1rst. Следуйте за нами в Twitter @ Spacedotcom (открывается в новой вкладке) и Facebook (открывается в новой вкладке) .

Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: community@space. com.

Роберт Ли – научный журналист из Великобритании, чьи статьи были опубликованы в журналах Physics World, New Scientist, Astronomy Magazine, All About Space, Newsweek и ZME Science. Он также пишет о научной коммуникации для Elsevier и European Journal of Physics. Роб имеет степень бакалавра наук в области физики и астрономии Открытого университета Великобритании. Подпишитесь на него в Твиттере @sciencef1rst.

Как танцующие черные дыры подбираются достаточно близко, чтобы слиться

Концепт художника, показывающий сверхмассивную черную дыру, окруженную газовым диском.
(Изображение предоставлено Калифорнийским технологическим институтом/Р. Хёртом (IPAC))

Многочисленные слияния черных дыр, обнаруженные гравитационно-волновыми обсерваториями, показали, что черные дыры сталкиваются друг с другом гораздо чаще, чем мы думали. Новое исследование предлагает способ быстрого слияния черных дыр: они должны попасть в аккреционный диск сверхмассивного компаньона.

С точки зрения астрофизики относительно легко расположить две черных дыр близко друг к другу. Либо они рождаются такими как потомки бинарной звездной системы , либо они случайным образом встречаются в глубинах межзвездного пространства. А оказавшись на орбите, они могут так и оставаться, бесконечно кружась вокруг друг друга.

Еще до обнаружения гравитационных волн от слияния черных дыр астрономы знали, что бинарные вращающиеся черные дыры в конечном итоге встречают фатальный конец. Мы знаем, что большие галактики вырастают из коллективного слияния множества меньших галактик и что почти каждая галактика во вселенной содержит гигантскую черную дыру в своем центре. Но обычно каждые 9Галактика 0005 имеет только одну гигантскую черную дыру, что говорит нам о том, что если галактики сливаются, то и их черные дыры должны сливаться.

Связанный: Посмотрите, как две огромные черные дыры сливаются в одну в этой сложной симуляции НАСА (видео)

Но заставить черные дыры врезаться друг в друга довольно сложно. Чтобы сблизить два вращающихся объекта, вы должны высосать из системы энергию и угловой момент. Поскольку в космосе почти нет трения, это тяжелая работа. Планетарные системы делают это все время, но обычно это связано с излучением или присутствием газа. У черных дыр такой возможности нет.

Гравитационные волны могут вытягивать энергию и импульс из двойной системы, но поскольку гравитационные волны настолько слабы, этот процесс хорошо работает только тогда, когда две черные дыры уже находятся очень близко друг к другу. Это известно как «последняя проблема парсека», из-за которой астрономы осознали сложность подведения двойных черных дыр достаточно близко, чтобы позволить гравитационным волнам выполнить остальную часть работы по слиянию.

За прошедшие годы астрономы придумали множество способов решения последней задачи о парсеках. Эти механизмы обычно связаны с присутствием третьего объекта далеко за пределами взаимной орбиты двойной пары. Если условия правильные, с правильным выравниванием и скоростью, третий компаньон может мягко потянуть за бинарную систему, растянув свою орбиту. Это растяжение увеличивает эллиптичность орбиты двойной черной дыры. С увеличением эллиптичности черные дыры начинают проводить все больше и больше времени близко друг к другу. Как только они достигают критического расстояния, гравитационные волны закрывают щель, и черные дыры, наконец, сливаются.

Но для этого сценария требуется точная конфигурация третьего компаньона, и этого может быть недостаточно. Основываясь на всех наблюдениях гравитационных волн, астрономы подсчитали, что каждый год происходит от 15 до 38 слияний черных дыр в пределах каждого кубического гигапарсека объема Вселенной (около 1/12000 от общего объема наблюдаемой Вселенной), и механизмы которые полагаются на третьего компаньона, производят менее половины этого числа.

В новой статье, опубликованной в базе данных препринтов arXiv , исследователи предлагают новый способ слияния черных дыр. Он также использует несколько специфическую настройку, но гораздо более общую, чем зависимость от удаленного третьего компаньона.

Установка начинается рядом со сверхмассивной черной дырой . Это не сумасшедшая идея, поскольку сверхмассивные черные дыры находятся в центрах галактик, которые набиты звездами и, следовательно, множеством черных дыр меньшего размера. Как и в большинстве случаев вблизи центра галактики, мы, вероятно, можем найти множество двойных черных дыр, лениво вращающихся вокруг центральной сверхмассивной.

На этом изображении показан Стрелец A*, черная дыра в центре галактики Млечный Путь. (Изображение предоставлено EHT Collaboration, CC BY-SA)

Авторы статьи обнаружили, что если бинарная система наклонена относительно своей орбиты вокруг сверхмассивной черной дыры, есть шанс организовать слияние. Во-первых, бинарная пара должна прецессировать, что означает, что ось их орбитального вращения со временем колеблется. Если скорость этой прецессии совпадает с периодом обращения вокруг центральной сверхмассивной черной дыры, то ее огромная гравитация будет регулярно тянуть бинарную систему, вызывая увеличение их эксцентриситета и повышая шансы окончательного слияния.

Истории по теме:

Но такого рода сопоставление может произойти только в том случае, если орбита двойной системы вокруг центральной сверхмассивной черной дыры точно совпадает, и это должно быть очень удачное совпадение. К счастью, авторы обнаружили, что природа может позаботиться об этом. Где бы ни рождались бинарные черные дыры, если они находятся в диске сверхмассивной черной дыры, они будут медленно мигрировать внутрь.

Независимо от их начальной орбиты, они в конечном итоге найдут расстояние, на котором период их обращения совпадет с периодом их прецессии. Если они пробудут на этой орбите достаточно долго, у гравитации центральной сверхмассивной черной дыры будет достаточно времени, чтобы увеличить эксцентриситет.

Авторы обнаружили, что это довольно общий сценарий. Запустив множество симуляций свойств черных дыр и начальных условий, они обнаружили, что бинарные черные дыры обычно сливаются.

Пока неясно, является ли это основным механизмом слияния или это лишь один из многих способов. Несмотря на это, работа показывает, насколько сложной может быть жизнь черных дыр, и сколько способов они могут танцевать в темноте.

Следуйте за нами в Twitter @Spacedotcom и на Facebook .

Узнайте больше, прослушав подкаст «Спросите космонавта», доступный на iTunes (открывается в новой вкладке) и askaspaceman.com (открывается в новой вкладке) . Задайте свой вопрос в Твиттере с хэштегом #AskASpaceman или подпишитесь на Пола @PaulMattSutter (открывается в новой вкладке) и facebook.com/PaulMattSutter (открывается в новой вкладке) .

Следите за нами в Твиттере @Spacedotcom (открывается в новой вкладке) или на Facebook (откроется в новой вкладке) .

Пол М. Саттер — астрофизик из SUNY Stony Brook и Института Флэтайрон в Нью-Йорке. Пол получил докторскую степень по физике в Университете Иллинойса в Урбана-Шампейн в 2011 году и провел три года в Парижском институте астрофизики, а затем стажировался в Триесте, Италия. регионов Вселенной до самых ранних моментов Большого Взрыва до охоты за первыми звездами. В качестве «звездного агента» Пол уже несколько лет страстно вовлекает общественность в популяризацию науки. Он ведущий популярной программы «Спроси космонавта!» подкаста, автор книг «Твое место во Вселенной» и «Как умереть в космосе», часто появляется на телевидении, в том числе на канале «Погода», где он является официальным специалистом по космосу.

Астрономы готовятся к невиданному ранее слиянию двух черных дыр

Когда 2 станут 1

Это может произойти в любое время от 100 дней до трех лет.

Passant Rabie

3 февраля 2022 г.

Астрономы наблюдают за небом , ожидая столкновения двух космических гигантов.

В галактике, расположенной на расстоянии 1,2 миллиарда световых лет от Земли, пара черных дыр потенциально может участвовать в гравитационном танго, сближаясь друг с другом, пока не сольются в одну сверхмассивную черную дыру. Это может произойти уже через 100 дней или до трех лет.

Если это легендарное слияние действительно произойдет, астрономы впервые станут свидетелями события такого рода и предоставят важную информацию о том, как черные дыры вырастают до своих сверхмассивных размеров.

Исследователи детализируют свое заманчивое предсказание в исследовании, доступном на сервере препринтов arXiv.

Хуан Янг, научный сотрудник Института периметра в Ватерлоо, Канада, и соавтор исследования, понимает, почему некоторые астрономы скептически относятся к предстоящему слиянию.

«Я думаю, что у людей есть сомнения, и это совершенно разумно», — говорит он Inverse. «Люди думают: «А что, если эта штука не выдержит?»

Ян присоединился к своему коллеге Нину Цзяну из Университета науки и технологий Китая в разгадке этой космической тайны.

Используя данные обзорного телескопа в Калифорнии под названием Zwicky Transient Facility, Цзян впервые заметил уникальное поведение кривой блеска, исходящей из далекой галактики. Астроном интерпретировал сигнал как исходящий от бинарной пары черных дыр, но дальше все стало еще интереснее.

Расстояние между двумя черными дырами становилось все меньше, меняясь от одного светового года до одного светового месяца за три года наблюдений.

«Обычно вы представляете, что расстояние между двоичными файлами все еще велико, поэтому период не должен меняться в течение периода наблюдения», — говорит Ян. «Но этот сигнал уникален. Период просто изменился так быстро во времени, как никогда раньше».

Если эта непрерывная сигнальная последовательность продолжится, то двойные объекты сблизятся друг к другу на расстояние, равное расстоянию между Солнцем и Плутоном.

Группа исследователей считает, что оттуда они наткнулись на нечто впечатляющее: слияние двух гигантских черных дыр, которое может произойти в течение всего лишь 100 дней, но, скорее всего, в течение следующих трех лет.

Необходимы дополнительные наблюдения, чтобы лучше предсказать временную шкалу.

Эндрю Фабиан, профессор Института астрономии Кембриджского университета, готовится к этому возможному слиянию, забронировав время на космическом рентгеновском телескопе НАСА NuStar, хотя на самом деле он не знает, чего ожидать от фактическое событие.

«Такого раньше никто не видел», — говорит Фабиан Inverse. « В настоящее время газа довольно много, но сильное ускорение орбит по мере их сближения может вызвать массовый выброс газа. Это может быть довольно ярким или может даже скрыть ситуацию».

Астрономы и раньше предсказывали слияния черных дыр, но никогда не наблюдали их в режиме реального времени. Единственное, что ученые знают о черных дырах, — это их огромные размеры, и все же они не совсем уверены, как они выросли до таких размеров.

Черные дыры питаются окружающим материалом, что увеличивает их размер. Но одного этого может быть недостаточно, чтобы объяснить, насколько массивны некоторые из этих космических зверей, примерно в 20 миллиардов раз больше массы Солнца.

Другой способ, которым черные дыры могут вырасти до своих гигантских размеров, — это слияние с другими черными дырами. Ученые считают, что черные дыры скрываются в центре каждой галактики, и по мере того, как эти галактики сливаются, черные дыры оказываются в середине, а их гравитационная сила притягивает друг друга.

Если ученые смогут наблюдать слияние двух черных дыр, это раскроет множество тайн, окружающих этих космических гигантов.

«Вы сможете проверить все свои прогнозы на этом единственном примере, — говорит Ян.

Реферат — Двойные сверхмассивные черные дыры (СМЧД) — удивительный побочный продукт слияния галактик в иерархической Вселенной. На последней стадии их орбитальной эволюции гравитационно-волновое излучение приводит в действие двойную спираль и производит самую громкую сирену, ожидающую обнаружения гравитационно-волновыми обсерваториями. Периодически меняющееся излучение активных ядер галактик было предложено в качестве мощного подхода к исследованию таких систем, хотя ни один из идентифицированных кандидатов не близок к их окончательному слиянию, так что наблюдаемые периоды остаются постоянными во времени. В этой работе мы сообщаем о первой системе с быстрыми периодами затухания, выявленными ее оптическими и рентгеновскими кривыми блеска, которые уменьшились примерно с одного года до одного месяца за три года. Вместе с ее оптической спектроскопией водородных линий мы предполагаем, что система представляет собой двойную систему с неравномерным отношением масс, сильно эксцентричной сверхмассивной ЧД, которая сольется в течение трех лет, как предсказывает модель эволюции траектории. Если интерпретация верна, следует запланировать скоординированную многодиапазонную электромагнитную кампанию для этого первого события слияния двойных сверхмассивных черных дыр, наблюдаемого в истории человечества, вместе с возможными нейтринными измерениями. Гравитационно-волновая память об этом событии также может быть обнаружена с помощью Pulsar Timing Array с дополнительным наблюдением в течение пяти-десяти лет.

Похожие теги

Астрономия
Космические науки

Познакомьтесь с Spikey, возможной парой сливающихся сверхмассивных черных дыр

Странно вспыхивающий объект в центре далекой галактики раскрыть тайну того, как сливаются самые чудовищные черные дыры во Вселенной.

Масса сверхмассивных черных дыр, в миллионы или миллиарды раз превышающая массу нашего Солнца, является величайшим тяжеловесом, и они скрываются в центрах почти каждой крупной галактики. Хотя они не излучают свет, эти объекты, тем не менее, могут создавать впечатляющие небесные фейерверки, поскольку они питаются газом и пылью, создавая струи высокоэнергетических частиц и вращающиеся диски обломков, которые можно ясно увидеть в космосе как активные галактические ядра (АЯГ). Теперь ученые определили вспышку в далеком AGN, которая, как они подозревают, создана сверхмассивной черной дырой, усиливающей излучение другой соседней, предполагая, что пара может слиться в следующие 100 000 лет. Если они действительно готовы к слиянию, они дадут астрономам беспрецедентный взгляд на плохо изученный процесс того, как гигантским черным дырам вообще удается объединяться.

В 2017 году астрофизики Даниэль Д’Орацио и Розанна Ди Стефано подробно описали, как пара сверхмассивных черных дыр, которые вскоре слились, должны гравитационно линзировать друг друга и как полученный сигнал можно было бы увидеть, если бы орбитальная плоскость неизбежного слияния выровнялась с Землей. Материал, окружающий черные дыры, должен светиться в рентгеновском диапазоне по мере того, как он ускоряется по направлению к любому члену пары. очень похоже на линзу, увеличивающую фоновый источник света. «Это очень характерная подпись», — говорит Ди Стефано, исследователь из Центра астрофизики Гарвардского университета и Смитсоновского института.

В октябре она и Д’Орацио, работая с несколькими сотрудниками, сообщили об открытии объекта, испускающего сигнал, который соответствует их теоретическому предсказанию. Данные, собранные в 2011 году космическим телескопом НАСА «Кеплер», ищущим планеты, выявили необычное активное ядро со странным шипом. Если объект по прозвищу Spikey снова повторит вспышку этой весной, как предсказывали Д’Орацио и его коллеги, это будет то, что он называет «дымящимся пистолетом», подтверждающим, что Spikey — это пара сверхмассивных черных дыр на пороге слияния. Д’Оразио, астроном из Гарварда, представил новый анализ в прошлом месяце на собрании Американского астрономического общества в Гонолулу.

«Последняя проблема парсека»

Когда галактики сталкиваются, сверхмассивные черные дыры в их центрах в конечном итоге находят путь к сердцу вновь созданной галактики и в конечном итоге сближаются. Наблюдения за ядрами сливающихся галактик выявили либо единственную сверхмассивную черную дыру (предположительно там, где две или более уже слились), либо черные дыры, которые вращаются в пределах нескольких парсеков друг от друга (парсек составляет примерно 3,26 световых года).

«Мы абсолютно уверены, что при слиянии двух галактик черные дыры, в которых они состоят, окажутся на расстоянии парсека друг от друга», — говорит Скотт Хьюз, астрофизик из Массачусетского технологического института, не принимавший участия в исследовании.

Проблема возникает на последнем парсеке, когда гравитация недостаточно сильна, чтобы преодолеть центробежную силу орбиты каждой черной дыры и сблизить пару. Без постоянного притока материала, способного встряхнуть мир, они могут перестать сливаться и оставаться в режиме ожидания на протяжении всей жизни Вселенной. Эта «последняя проблема парсека» не затрагивает пары меньших черных дыр звездной массы, которым легче слиться, отводя избыточную орбитальную энергию за счет обильного излучения гравитационных волн. Но более крупным черным дырам нужно что-то, что подтолкнет их к этому последнему горбу, прежде чем их собственное излучение гравитационных волн сможет начать действовать, и в этот момент возможное слияние станет неизбежным.

«Мы плохо понимаем, что происходит в этом последнем парсеке», — говорит Мэтью Грэм, космолог из Калифорнийского технологического института, не участвовавший в новом исследовании. «У нас есть теоретическое понимание, но у нас нет хороших данных наблюдений, чтобы сопоставить теорию». По крайней мере, таких доказательств у исследователей пока нет совсем .

Помимо обнаружения тысяч экзопланет, Кеплер также обнаружил несколько десятков АЯГ. Исследование этих объектов, проведенное в 2018 году, выявило необычную вспышечную активность одного из них под названием KIC 11606854. Более пристальный взгляд показал, что усиление и ослабление вспышки отражали предсказания того, как пара сливающихся черных дыр может гравитационно линзировать друг друга. Привет, Спайки.

«Это оказалось очень удачным», — говорит Бетти Ху, аспирант Гарвардского университета и первый автор препринта, в котором сообщается об открытии Спайки. По словам Ди Стефано, исследователи, изучающие АЯГ Кеплера, передали информацию Д’Орацио и его коллегам, которые обнаружили, что сигнал «очень хорошо» соответствует модели линзирования.

По словам Ди Стефано, каждая из сливающихся черных дыр может быть окружена «мини-диском», встроенным в более крупный общий диск, вращающийся вокруг обоих объектов. Мини-диски могут рассеяться, когда их поглотят черные дыры.0011 только для того, чтобы время от времени пополняться материалом с большего внешнего диска. Каждая черная дыра, жующая минидиск, имеет полезный побочный эффект, теряя дополнительную орбитальную энергию и позволяя им сближаться по спирали, потенциально преодолевая последнюю проблему парсека. Согласно моделям исследователей, Spikey должны слиться в ближайшие 100 000 лет или около того — мгновение ока по астрономическим масштабам.

До следующего раза

Одной вспышки недостаточно, чтобы подтвердить, что Spikey представляет собой пару сливающихся черных дыр. Д’Орацио и его коллеги уже этой весной планируют изучить Спайки в поисках дополнительных доказательств. Основываясь на своих лучших оценках орбит пары, они предварительно определили, что следующее событие гравитационного линзирования, скорее всего, произойдет в апреле 2020 года. Но, по словам Ху, сохраняющиеся неопределенности означают, что вспышка может произойти где-то между февралем и июлем.

Команда уже выделила время на рентгеновской обсерватории НАСА Чандра для наблюдения за предсказанной апрельской вспышкой, которая должна длиться около 10 дней. Тем временем исследователи продолжают следить за системой с помощью наземных инструментов. Если Спайки начнет капризничать до апреля, они надеются мельком увидеть, чтобы сместить свои наблюдения с Чандрой и другими объектами, чтобы компенсировать это. «Я думаю, что [Д’Орацио] проделал фантастическую работу, пытаясь выяснить все возможные способы развития этой системы, потому что это лучший кандидат [слияния черных дыр]», — говорит Ди Стефано.

Если Spikey проявит ожидаемую вспышку этой весной, это будет большой проблемой. «Если это выдержит и на самом деле будет бинарным, я думаю, это даст нам пример того, что искать, если мы пытаемся найти случаи близких бинарных файлов, которые еще не объединены», — говорит Хьюз. Такой пример должен упростить охоту за слиянием сверхмассивных черных дыр в будущем.

И этот результат станет хорошей новостью для миссии Европейского космического агентства «Лазерная интерферометрическая космическая антенна» (LISA), запуск которой намечен на 2030-е годы для поиска гравитационных волн, излучаемых сверхмассивными черными дырами. Хотя Spikey, вероятно, не будет сливаться под наблюдением LISA, это может дать планировщикам миссий лучшее представление о том, сколько сливающихся гигантов может увидеть космический корабль.

Чудо без вспышек

С другой стороны, Спайки может снова не вспыхнуть; возможно, это вовсе не пара сверхмассивных черных дыр. По словам Грэма, в последние несколько лет растет число заявлений о потенциальном слиянии сверхмассивных черных дыр, которые в итоге оказались чем-то другим.

Если июль проходит без признаков уникальной сигнатуры, то может случиться так, что первоначальное событие было просто невиданным ранее типом вспышки от относительно нормального активного ядра галактики. Хотя все еще есть несколько других кандидатов в сверхмассивные черные дыры, ожидающие подтверждения, необнаружение почти вернет охотников за сливающимися черными дырами на исходную позицию.

Но необнаружение не обязательно означает, что модель Ди Стефано и Д’Орацио неверна. «Это процесс, в котором должно произойти » где-то во Вселенной, — говорит Ди Стефано. Пока две черные дыры вращаются вокруг друг друга, должно происходить гравитационное линзирование; это просто вопрос ориентации пары, чтобы эффект был виден с Земли. В своей первоначальной статье она и Д’Орацио предсказали, что примерно 10 процентов двойных систем будут расположены под правильным углом, чтобы дать астрономам представление о вспышках их гравитационных линз.

«Если Spikey не сработает, мы знаем, что этот процесс происходит», — говорит Ди Стефано. «В конечном счете, мы должны быть в состоянии обнаружить это, но нам, возможно, придется взглянуть на другие системы, чтобы увидеть это». Грэм соглашается. «Это концептуально крутая идея, — говорит он. «Эти штуки должны быть линзами ».

ОБ АВТОРАХ

Нола Тейлор Тиллман — научный писатель, специализирующийся на космосе и астрономии. Следуйте за Нолой Тейлор Тиллман в Твиттере

астрономов обнаружили самое мощное столкновение с черной дырой

Представление художника о двух сталкивающихся черных дырах. Фото: Кэрол и Майк Вернер/Visuals Unlimited, INC./Science Photo Library

Астрономы зафиксировали самое мощное, самое далекое и самое загадочное столкновение черных дыр с помощью гравитационных волн. Из двух гигантов, которые слились, когда Вселенная была вдвое младше нынешнего возраста, по крайней мере один — весящий в 85 раз больше Солнца — имеет массу, которая считалась слишком большой, чтобы участвовать в таком событии. Исследователи подсчитали, что в результате слияния образовалась черная дыра массой почти 150 солнечных, что поместило ее в диапазон, в котором черные дыры никогда не наблюдались окончательно.

«Все в этом открытии ошеломляет, — говорит Саймон Портегиес Зварт, астрофизик-вычислитель из Лейденского университета в Нидерландах. В частности, говорит он, это подтверждает существование черных дыр «промежуточной массы»: объектов, намного более массивных, чем типичная звезда, но не таких больших, как сверхмассивные черные дыры, населяющие центры галактик.

Илья Мандель, астрофизик-теоретик из Университета Монаш в Мельбурне, Австралия, называет открытие «удивительно неожиданным».

Событие, описанное в двух статьях, опубликованных 2 сентября ¹ ^, ² , было обнаружено 21 мая 2019 г. двойными детекторами Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) в США и в меньшей обсерватории Virgo недалеко от Пизы, Италия. Он назван GW190521 по дате обнаружения.

Запрещенные массы

С 2015 года LIGO и Virgo дают новое представление о космосе, обнаруживая гравитационные волны. Эта рябь в ткани пространства-времени может выявить такие события, как слияние черных дыр, которые обычно не видны в обычные телескопы.

По свойствам гравитационных волн, например по изменению их высоты, астрофизики могут оценить размеры и другие характеристики объектов, породивших их, когда они скручивались друг в друга по спирали. Это произвело революцию в изучении черных дыр, предоставив прямые доказательства существования десятков этих объектов, масса которых варьируется от нескольких до примерно 50 масс Солнца.

Как гравитационные волны могут раскрыть некоторые из глубочайших тайн Вселенной

Эти массы согласуются с черными дырами, которые образовались «обычным» способом — когда у очень большой звезды заканчивается топливо для сгорания, и она разрушается под собственным весом. Но традиционная теория говорит, что звездный коллапс не должен образовывать черные дыры с массой от 65 до 120 масс Солнца. Это связано с тем, что к концу своей жизни звезды определенного размера становятся настолько горячими в своих центрах, что начинают преобразовывать фотоны в пары частиц и античастиц — явление, называемое нестабильностью пар. Это вызывает взрывное слияние ядер кислорода, которое разрывает звезду на части, полностью разрушая ее.

В своем последнем открытии детекторы LIGO и Virgo уловили только последние четыре пульсации, создаваемые спиралевидными черными дырами, с частотой, которая возрастала от 30 до 80 Гц за одну десятую секунды. В то время как относительно меньшие черные дыры продолжают «чирикать» до более высоких частот, очень большие сливаются раньше и едва достигают нижней границы частотного диапазона, к которому чувствительны детекторы.

В этом случае вес двух объектов оценивается примерно в 85 и 66 солнечных масс. «Это вполне точно соответствует диапазону, который можно было бы ожидать от разрыва масс из-за нестабильности пар», — говорит астрофизик LIGO Кристофер Берри из Северо-Западного университета в Эванстоне, штат Иллинойс.

Сельма де Минк, астрофизик из Гарвардского университета в Кембридже, штат Массачусетс, устанавливает порог нестабильности пары еще ниже, возможно, в 45 солнечных масс, что также толкает более легкий из двух объектов в запрещенную зону. «Для меня обе черные дыры неудобно массивны», — говорит она.

Нетрадиционные черные дыры

Чтобы объяснить свои наблюдения, исследователи LIGO рассмотрели ряд возможностей, в том числе то, что черные дыры существовали с незапамятных времен. В течение десятилетий исследователи предполагали, что такие «первичные» черные дыры могли спонтанно образоваться в широком диапазоне размеров вскоре после Большого взрыва.

Основной сценарий, который обдумывала команда, состоит в том, что черные дыры стали такими большими, потому что сами были результатом более раннего слияния черных дыр. Черные дыры, возникшие в результате звездного коллапса, должны кишеть внутри плотных звездных скоплений, и в принципе они могут подвергаться повторным слияниям. Но даже этот сценарий проблематичен, потому что после первого слияния образовавшаяся черная дыра, как правило, получает толчок от гравитационных волн и выбрасывается из скопления. Только в редких случаях черная дыра оставалась в области, где она могла подвергнуться новому слиянию.

Столкновение с черной дырой, изменившее физику

Последовательные слияния были бы более вероятными, если бы черные дыры обитали в густонаселенной центральной части своей галактики, говорит де Минк, где гравитация достаточно сильна, чтобы не допустить выброса отталкивающихся объектов.

Неизвестно, в какой галактике произошло слияние. Но примерно в том же районе неба группа исследователей заметила квазар — чрезвычайно яркий галактический центр, работающий от сверхмассивной черной дыры, — который подвергся вспышке примерно через месяц после GW19.0521 ³ . Вспышка могла быть ударной волной в горячем газе квазара, созданной отталкивающейся черной дырой, хотя многие астрономы опасаются признать, что эти два явления связаны.

Это второй раз в этом году, когда коллаборация LIGO и Virgo вошла в «запрещенный» диапазон масс: в июне они описали слияние с участием объекта массой около 2,6 солнечных, который обычно считается слишком легким, чтобы быть черной дырой. но слишком массивный, чтобы быть нейтронной звездой ⁴ .

Ссылки

Abbott, R. et al. Физ. Преподобный Письмо . https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.101102 (2020 г.).
Артикул
Google ученый
Abbott, R. и др. Астрофиз. Дж. Летт . https://doi.org/10.3847/2041-8213/aba493 (2020 г.).
Артикул
Google ученый
Грэм, М. Дж. и др. Физ. Преподобный Летт. 124 , 251102 (2020)
ПабМед
Статья
Google ученый
Abbott, R. и др. Астрофиз. Дж. Летт . https://doi.org/10.3847/2041-8213/ab960f (2020 г.).
Артикул
Google ученый

Ссылки для скачивания

Неожиданная история происхождения однобокого слияния черных дыр | Новости Массачусетского технологического института

Одностороннее слияние двух черных дыр может иметь странную историю происхождения, согласно новому исследованию, проведенному исследователями из Массачусетского технологического института и других организаций.

Слияние было впервые обнаружено 12 апреля 2019 года как гравитационная волна, которая достигла детекторов как LIGO (лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория), так и ее итальянского аналога Virgo. Ученые обозначили сигнал как GW1 и определили, что он исходит от столкновения двух черных дыр Давида и Голиафа, одна из которых в три раза массивнее другой. Сигнал ознаменовал собой первое обнаружение слияния двух черных дыр очень разных размеров.

Новое исследование, опубликованное сегодня в журнале Physical Review Letters, , показывает, что это одностороннее слияние могло произойти в результате совершенно другого процесса по сравнению с тем, как, как считается, формируется большинство слияний или бинарных файлов.

Вполне вероятно, что более массивная из двух черных дыр сама по себе была продуктом предшествующего слияния двух родительских черных дыр. Голиаф, развернувшийся в результате этого первого столкновения, возможно, затем срикошетил вокруг плотно упакованного «ядерного скопления», прежде чем слиться со второй, меньшей черной дырой — хриплое событие, которое заставило гравитационные волны прокатиться по космосу.

GW1 может быть вторым поколением или «иерархическим» слиянием, стоящим отдельно от других слияний первого поколения, которые до сих пор обнаруживали LIGO и Virgo.

«Это событие — нечто странное, подброшенное нам Вселенной — мы этого не ожидали», — говорит соавтор исследования Сальваторе Витале, доцент физики Массачусетского технологического института и член LIGO. «Но ничего не происходит во Вселенной только один раз. И что-то подобное, пусть и редкое, мы еще увидим и сможем больше сказать о Вселенной».

Соавторы Витале — Давид Героса из Бирмингемского университета и Эмануэле Берти из Университета Джона Хопкинса.

Борьба за объяснение

Существует два основных способа образования слияний черных дыр. Первый известен как процесс общей оболочки, когда две соседние звезды через миллиарды лет взрываются, образуя две соседние черные дыры, которые в конечном итоге имеют общую оболочку или газовый диск. Еще через несколько миллиардов лет черные дыры скручиваются и сливаются.

«Вы можете думать об этом как о паре, которая всю жизнь вместе», — говорит Витале. «Подозревается, что этот процесс происходит в диске галактик, подобных нашей».

Другим распространенным путем слияния черных дыр являются динамические взаимодействия. Представьте себе на месте моногамной среды галактическую тусовку, где тысячи черных дыр втиснуты в маленькую, плотную область Вселенной. Когда две черные дыры начинают объединяться, третья может разбить пару в результате динамического взаимодействия, которое может повторяться много раз, прежде чем пара черных дыр окончательно сольется.

И в процессе общей оболочки, и в сценарии динамического взаимодействия сливающиеся черные дыры должны иметь примерно одинаковую массу, в отличие от неравномерного соотношения масс GW1. Они также не должны иметь относительно никакого вращения, в то время как GW1 имеет удивительно высокое вращение.

«Суть в том, что оба этих сценария, которые люди традиционно считают идеальными питомниками для двойных черных дыр во Вселенной, изо всех сил пытаются объяснить соотношение масс и вращение этого события», — говорит Витале.

Трекер черной дыры

В своей новой статье исследователи использовали две модели, чтобы показать, что очень маловероятно, что GW1 появился либо в результате общего процесса оболочки, либо в результате динамического взаимодействия.

Сначала они смоделировали эволюцию типичной галактики, используя STAR TRACK, симуляцию, которая отслеживает галактики на протяжении миллиардов лет, начиная со слияния газа и заканчивая тем, как звезды обретают форму и взрываются, а затем коллапсируют в черные дыры, которые в конечном итоге сливаться. Вторая модель имитирует случайные динамические встречи в шаровых скоплениях — плотных скоплениях звезд вокруг большинства галактик.

Команда провела обе симуляции несколько раз, настраивая параметры и изучая свойства образовавшихся слияний черных дыр. Для тех слияний, которые сформировались в процессе общего конверта, слияние, подобное GW1, было очень редким, возникая только после нескольких миллионов событий. Динамические взаимодействия с большей вероятностью приводили к такому событию после нескольких тысяч слияний.

Однако GW1 был обнаружен LIGO и Virgo после всего 50 других обнаружений, что позволяет предположить, что он, вероятно, возник в результате какого-то другого процесса.

«Что бы мы ни делали, мы не можем легко произвести это событие в этих более распространенных каналах формации», — говорит Витале.

Процесс иерархического слияния может лучше объяснить перекос массы GW1 и его высокую скорость вращения. Если бы одна черная дыра была продуктом предыдущего спаривания двух родительских черных дыр с одинаковой массой, она сама была бы более массивной, чем любой из родителей, а позже значительно затмила бы своего партнера в первом поколении, создав высокое отношение масс в финальном слиянии.

Иерархический процесс также может привести к слиянию с высоким вращением: родительские черные дыры в своем хаотическом слиянии раскрутят получившуюся черную дыру, которая затем перенесет это вращение в свое окончательное столкновение.

«Вы делаете математику, и оказывается, что оставшаяся черная дыра будет иметь вращение, очень близкое к общему вращению этого слияния», — объясняет Витале.

Выхода нет

Если GW1 действительно сформировался в результате иерархического слияния, Витале говорит, что это событие может также пролить свет на среду, в которой он сформировался. Команда обнаружила, что если большая из двух черных дыр образовалась в результате предыдущего столкновения, то это столкновение, вероятно, породило огромное количество энергии, которая не только породила новую черную дыру, но и отбросила ее на некоторое расстояние.

«Если его ударить слишком сильно, он просто покинет скопление и войдет в пустую межзвездную среду, и не сможет снова слиться», — говорит Витале.

Если бы объект смог снова слиться (в данном случае, образовав GW1), это означало бы, что полученный толчок был недостаточным, чтобы покинуть звездное скопление, в котором он сформировался.