Слияние черных дыр кратко

Обновлено: 05.07.2024

Астрономы обнаружили две сверхмассивные чёрные дыры, которые на 99% находятся на пути к сильному столкновению, которое сотрясет саму ткань пространства-времени.

Рендеринг двойных чёрных дыр, медленно вращающихся по спирали к сотрясающему пространство слиянию. Источник изображения: Caltech.

Согласно исследованию, опубликованному 23 февраля в журнале Astrophysical Journal Letters, чёрные дыры, которые имеют общее название PKS 2131-021, вовлечены в гибельный танец примерно в 9 миллиардах световых лет от Земли. Согласно заявлению NASA, эти два объекта неуклонно двигались навстречу друг другу около 100 миллионов лет, и теперь они имеют общую двойную орбиту, причем две чёрные дыры вращаются друг вокруг друга каждые два года или около того.

Примерно через 10 000 лет две черные дыры сольются, и гравитационные волны – рябь в ткани пространства-времени, первоначально предсказанная Альбертом Эйнштейном, – распространятся по Вселенной. Хотя никто из нас не станет свидетелем этого эпического столкновения, изучение PKS 2131-021 теперь может обеспечить новыми данными о том, как образуются сверхмассивные чёрные дыры и что происходит, когда две из них сталкиваются.

Сверхмассивные чёрные дыры – чрезвычайно тёмные, плотные объекты, которые в сотни миллионов раз массивнее нашего Солнца, – находятся в сердцах большинства, если не всех галактик во Вселенной. Астрономы не знают, как эти объекты становятся такими большими, но одним из вероятных сценариев может быть то, что самые большие чёрные дыры Вселенной являются результатом, по крайней мере, одного слияния двух чёрных дыр меньшего размера, сообщает NASA. Новое исследование может помочь подтвердить эту гипотезу.

PKS 2131-021 – это особый тип чёрной дыры, известный как блазар, то есть сверхмассивная чёрная дыра, которая направляет струю сверхзаряженного вещества прямо в сторону Земли. Эта материя возникает из колец горячего газа, которые образуются вокруг определённых чёрных дыр; когда чёрная дыра втягивает этот газ своей мощной гравитацией, часть материи может улетучиться, вместо этого она будет отброшена струей плазмы, движущейся почти со скоростью света.

Авторы нового исследования следили за яркостью около 1800 блазаров, разбросанных по Вселенной, когда заметили нечто странное: яркость блазара PKS 2131-021 колебалась через равные промежутки времени – настолько предсказуемо, что авторы исследования сравнили эти колебания с тиканьем часов.

Исследователи подозревали, что эти вариации были результатом того, что вторая чёрная дыра тянула за собой первую, когда два объекта вращались друг вокруг друга каждые два года или около того, но команде требовалось больше данных, чтобы узнать, как долго сохраняется эта закономерность. Поэтому исследователи изучили данные пяти обсерваторий, охватывающих 45 лет. Все дополнительные данные соответствовали прогнозам команды о том, как должна меняться яркость бинарного блазара с течением времени.

Если эти выводы подтвердятся, PKS 2131-021 станет второй парой двойных чёрных дыр, когда-либо обнаруженных, и самой тесно-связанной парой, найденной исследователями.

Учёные обнаружили первую известную двойную чёрную дыру во Вселенной в 2020 году в галактике, примерно в 3,5 миллиардах световых лет от Земли. Однако эти чёрные дыры вращаются вокруг друг друга каждые девять лет, что говорит о том, что между ними существует гораздо большее расстояние, чем между двумя членами PKS 2131-021.

Две чудовищные чёрные дыры достаточно велики и близки, чтобы они могли высвободить гравитационные волны перед неизбежным столкновением, говорится в заявлении авторов исследования. Будущие наблюдения PKS 2131-021 будут сосредоточены на том, чтобы уловить эти волны.

Хотя видимый горизонт может совпадать с горизонтом события черной дыры, эти термины не всегда описывают одно и то же, особенно в случае колеблющейся черной дыры. В этом случае видимый горизонт обязательно находится внутри горизонта событий и представляет собой границу, внутри которой все светоподобные кривые ведут внутрь черной дыры. Снаружи видимого горизонта свет еще может перемещаться в направлении от него, но ему не суждено покинуть пределы более широкого горизонта событий, который в этом случае называется абсолютным горизонтом. Абсолютный горизонт может возникать даже в отсутствии черной дыры, например, космологический горизонт событий в расширяющейся Вселенной.

Конец инопланетянам Откуда берутся таинственные сигналы из космоса и почему внеземных цивилизаций не существует

При слиянии исходные горизонты событий образуют большой горизонт событий, что описывается диаграммой, по форме напоминающей штаны. Однако картина слияния видимых горизонтов более сложная. Когда черные дыры приближаются достаточно близко друг к другу, вокруг них мгновенно образуется новый видимый горизонт. Однако окончательная судьба первоначальных горизонтов оставалась неизвестной.

Метод, к которому ученые прибегли для проведения анализа, состоит из трех ключевых компонентов. Во-первых, исследователи использовали высокоточную технику для моделирования пространства-времени, включая пространство-время внутри черной дыры. Во-вторых, они применили численный метод, который позволял им выявлять отдельные горизонтоподобные структуры даже в тех случаях, когда они сильно искажались. В-третьих, ученые упростили сложные уравнения, описывающие поверхности, до уравнений, описывающих кривые. Это позволило легко находить новые горизонты, которые соответствовали кривым, и восстанавливать их до полных поверхностей. Все это помогло исследователям смоделировать внутреннюю горизонтоподобную структуру внутри только что сформированной черной дыры.

Результаты сложного численного моделирования показывают, что оба первоначальных горизонта существуют еще какое-то время внутри общего видимого горизонта. Однако они становятся нестабильными и в конечном счете постепенно разрушаются при взаимодействии с многочисленными горизонтоподобными структурами, называемыми MOTS (англ. marginally outer trapped surfaces). В целом, ученые научились отличать нестабильные MOTS от устойчивых MOTS, которые являются фактическими границами черной дыры.

Ученым удалось увидеть столкновение двух черных дыр. Подобное событие они наблюдали впервые в истории астрономии. Его вероятным последствием стала ярчайшая световая вспышка. Обычно со стороны черных дыр не наблюдаются вспышки света, так как они не излучают свет. Но когда в прошлом году ученые обнаружили одно столкновение между черными дырами, они заметили также таинственную вспышку со стороны этого события. Мы узнали, что именно произошло во время слияния двух черных дыр, чем интересно это событие и может ли необычная вспышка повториться снова.

Что произошло?

21 мая 2019 года гравитационно-волновые детекторы на Земле зарегистрировали сигнал, исходящий со стороны пары сталкивающихся массивных объектов. Это событие произошло на расстоянии 2,4 млрд световых лет от Солнечной системы. Позднее обсерватория под названием Zwicky Transient Facility (ZTF) зафиксировала вспышку света. Когда ученые сравнили эти два сигнала, выяснилось, что сигналы они с одного направления, а это могло указывать на редкий случай столкновения черных дыр, доступного для наблюдений в оптическом диапазоне. Масса объектов различалась примерно в четыре раза. Один из них был тяжелее Солнца примерно в 8 раз, а другой — примерно в 30.

Что происходит при столкновении обычно?

Многие галактики имеют супермассивные черные дыры в своем центре, их гигантский газовый диск может притягивать и объединять малые черные дыры. В прошлом астрономы могли только по косвенным признакам понять, что произошло столкновение подобных массивных объектов, в том числе по замеченным приборами гравитационным волнам или газовой реакции.

Если черные дыры не излучают свет, то почему это произошло сейчас?

Согласно основной рабочей гипотезе, выдвинутой Штерном и его коллегами, в 2019 году произошло столкновение внутри аккреционного диска, окружающего сверхмассивную черную дыру, лежащую в центре квазара — далекой галактики с очень ярким активным ядром. Как только черные дыры поменьше сталкиваются, крупная черная дыра получает импульс, толкающий ее в случайном направлении, в результате чего она встречается с газом в диске и создает вспышку света.

Удар и дальнейшее слияние двух черных дыр привели к образованию нового небесного тела. Его масса выше солнечной приблизительно в 100 раз.

Такое событие повторится еще когда-либо?

Астрономы считают, что вспышка повторится через несколько лет. Это произойдет, поскольку новый объект на обратном пути снова прорежет раскаленный газ в окрестностях сверхмассивной черной дыры.

В пограничных регионах галактик, возможно, происходит нечто странное и прекрасное: пары черных дыр снова и снова сливаются, производя феноменальное количество энергии, большее, чем способна произвести одна звезда.

Так думают ученые, извучающие плотные кластеры звезд — территории, космоса, в которых скапливаются сотни, тысячи и даже миллионы звезд.

Слияние двух черных дыр порождает сверхмассивную черную дыру. Но когда звездные объекты находятся на таком близком расстоянии, новая сверхмассивная черная дыра оказывается настолько близко к своим соратницам, что тут же находит себе новую партнершу и процесс повторяется — именно над такой гипотезой сейчас работает международная группа астрономов.

“Мы думаем, что эти кластеры образовались после быстрого слияния к центру сотен, а то и тысяч черных дыр, — говорит ведущий автор исследования Карл Родригес , астрофизик и МТИ. — Такие типы кластеров по сути являются фабриками слияния дыр, где в маленьком пространстве космоса находится так много черных дыр, что они могут сливаться и создавать массивные черные дыры. И эти новые черные дыры могут снова сливаться.”

Согласно результатам сложных математических моделей, запущенных на суперкомпьютере Quest в Северо-Западном Университете в Нью-Йорке, продуманная Родригесом и его коллегами идея правдоподобна. На компьютере запустили 24 различные симуляции от 200,000 до 2 миллионов звезд и проследили за их взаимодействием на протяжении 12 миллионов лет. Это потребовало больших вычислительных мощностей, но зато показало, что “слияния второго поколения” действительно возможны.

Чтобы провести эти вычисления ученым пришлось выйти за рамки классической теории тяготения Ньютона,— которая описывает большинство космических взаимодейтсвий, — чтобы рассмотреть две черные дыры, которые кружатся очень близко друг другу, как это, должно быть, и происходит в плотных звездных кластерах.

Добавив в расчет общую теорию относительности Эйнштейна , гравитационные волны и другие параметры, исследователи доказали, что черные дыры могут сливаться , и их не выбросит за пределы кластера, как должно происходить по классическим законам Ньютона.

Бинарная черная дыра (оранжевый) и одиночная черная дыра (голубой) сливаются, создавая новую черную дыру (красный). — (Carl Rodriguez)

Чтобы получить больше доказательств этого феномена, команде понадобится помощь детектора гравитационных волн в LIGO . LIGO уже показал, что звездные бинарные черные дыры существуют: две умирающие звезды объединяются в космическом танце, и их массивное слияние вызывает всплеск гравитационных волн.

Если слияния способны провоцировать еще больше слияний, LIGO должен суметь их засечь.

“Если мы подождем достаточно долго, в итоге LIGO увидит нечто, что могло прийти только из таких звездных кластеров, потому что оно будет больше, чем любая энергия от одной звезды,” — говорит Родригес.

Эти плотные сферические кластеры звезд, которыми так интересуются ученые, существуют в большинстве галактик — в одном только нашем Млечном пути их около 200.

Финальным кусочком пазла станет доказательство, что слившиеся черные дыры достаточно долго остаются на месте, чтобы вызвать новые слияния — все зависит от скорости вращения черных дыр во время слияния: результирующая гравитационная волна энергии может как ракету вынести из кластера новую гигантскую черную дыру.

Но будет ли это так? Пока что LIGO регистрировал медленную скорость вращения черных дыр. Получается, что эти звездные объекты не вращаются так быстро, как думали ученые.

Низкие скорости вращения — еще один пункт в копилку теории по последовательном слиянии.

Так что снова следим за LIGO. Посмотрим, поддержат ли его измерения те результаты, что получились в процессе моделирования на Quest. Предполагается, что все объекты массой от 50 до 130 масс Солнца должны были образоваться множественным слиянием, а не от одной звезды.

“Мы с со-авторами поспорили с несколькими людьми, изучающими формирование бинарных звезд, что за 100 ближайших измерений LIGO мы обнаружим что-то в этом промежутке больших масс, “— добавляет Родригес.

“Если это будет правдой, я куплю себе бутылочку хорошего вина.

Исследование было опубликовано в Physical Review Letters . Перевод выполнен эксклюзивно для канала Funscience.

Читайте также: