12.9K
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.
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.
«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).
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.
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.