Астрофизики показали орбитальный танец пары гигантских черных дыр

Новое компьютерное моделирование, которое полностью включает в себя физические эффекты Общей теории относительности Эйнштейна, показывает, что газ в системах сливающихся черных дыр излучает преимущественно в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазоне. Исследование представлено в журнале Astrophysical Journal.

«Мы знаем, что галактики с центральными сверхмассивными черными дырами сливаются друг с другом, но лишь в небольшой части мы смогли обнаружить присутствие двух «монстров». И пары, которые мы видим, не излучают достаточно сильные гравитационные волны, поскольку они еще слишком далеки друг от друга. Наша цель – идентифицировать более близкие дуэты по световым сигналам и благодаря этому в будущем отследить их гравитационные волны», – говорит Скотт Нобл, астрофизик из Центра космических полетов NASA им. Годдарда (США).

В 2015 году ученые зафиксировали слияние черных дыр звездной массы с использованием обсерватории LIGO, однако столкновения свермассивных объектов найти намного сложнее. Одна из причин, по которой наземные обсерватории не могут обнаружить искривление пространства-времени от этих событий, состоит в том, что сама Земля подвержена вибрациям от сейсмических колебаний и изменений атмосферного давления, поэтому детекторы должны находиться в космосе, как Космическая антенна лазерного интерферометра (LISA) Европейского космического агентства (ESA), планируемая к запуску в 2030-х годах.

Комплексные наблюдения за пульсарами также могут способствовать обнаружению гравитационных волн от слияния монстров. Подобно маякам, пульсары непрерывно испускают синхронизированные лучи света. Гравитационные волны должны вызывать незначительные изменения в периодах вспышек, но пока это не наблюдалось на практике.

Тем не менее у сверхмассивных пар, приближающихся к столкновению, есть одна вещь, которой нет в двойных системах звездной массы: это богатая газом среда. Ученые предполагают, что взрыв сверхновой, создающий небольшую черную дыру, сдувает большую часть окружающего газа, а оставшегося газа, падающего на нее, недостаточно для мощного излучения в процессе слияния.

С другой стороны, пары сверхмассивных черных дыр являются результатом слияния галактик. Каждая из них окружена облаками газа и пыли, звездами и планетами. Столкновение галактик продвигает большую часть материала к центральным черным дырам. По мере приближения к горизонту событий оставшийся газ нагревается магнитными и гравитационными силами и испускает яркое сияние, наблюдаемое астрономами.

Моделирование сверхмассивных столкновений требует сложных вычислительных инструментов, которые учитывают все физические эффекты, создаваемые двумя гигантскими черными дырами, вращающимися вокруг друг друга с почти релятивистской скоростью. Знание того, какие световые сигналы рождаются в таких событиях, поможет современным наблюдениям идентифицировать их и другие процессы в сердце большинства галактик.

Новая симуляция описывает поведение сверхмассивных черных дыр за 40 орбит до слияния. Модель показывает, что излучение преимущественно происходит в ультрафиолете и высокоэнергетических рентгеновских лучах, аналогично тому, что наблюдается в любой галактике со сверхмассивной центральной черной дырой.

Три области излучающего газа накаляются, когда черные дыры сливаются и окутываются потоками горячего газа: большим кольцом, окружающим всю систему, и двумя меньшими дисками вокруг каждой из них. Все эти объекты испускают преимущественно ультрафиолетовое излучение. Когда газ вливается в меньшее кольцо, ультрафиолетовый свет диска взаимодействует с короной черной дыры, областью высокоэнергетических субатомных частиц выше и ниже диска, что производит рентгеновское излучение. При более низкой скорости аккреции рентгеновские лучи преобладают над ультрафиолетом.

Основываясь на моделировании, исследователи ожидают, что рентгеновские лучи, испускаемые перед слиянием, будут более яркими и более переменными, чем наблюдаемые от одиночных сверхмассивных черных дыр.

Моделирование проводилось на суперкомпьютере в Университете штата Иллинойс в Урбане-Шампейне (США) и заняло 46 дней на 9600 вычислительных ядрах. Команда планирует усовершенствовать код для оценки влияния изменений входных параметров системы (таких как температура, расстояние, общая масса и скорость аккреции) на излучаемый свет, а также для понимания того, что происходит с газом, путешествующим между двумя черными дырами на более длинных промежутках времени. Если их усилия приведут к ожидаемым результатам, астрофизики смогут обнаруживать слияния сверхмассивных черных дыр прежде, чем их увидит космическая гравитационная волновая обсерватория.