В феврале 2016 года ученые, работающие в лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO), вошли в историю, объявив о первом в истории обнаружении гравитационных волн. Это открытие не только подтвердило вековой прогноз, сделанный теорией общей теории относительности Эйнштейна, но и подтвердило существование двойных звездных черных дыр, которые в первую очередь объединились, чтобы произвести сигнал.
И теперь международная команда во главе с астрофизиком MIT Карлом Родригесом подготовила исследование, которое предполагает, что черные дыры могут сливаться многократно. Согласно их исследованию, эти «слияния второго поколения», вероятно, происходят внутри глобулярных скоплений, больших и компактных звездных скоплений, которые обычно вращаются по краям галактик - и которые плотно упакованы сотнями тысяч или миллионами звезд.
Исследование под названием «Постньютоновская динамика в плотных звездных скоплениях: сильно эксцентричные, сильно вращающиеся и повторяющиеся двойные слияния черных дыр», недавно появившееся в Письма о физическом обзоре, Руководил исследованием Карл Родригес, научный сотрудник Паппалардо из физического факультета Массачусетского технологического института и Института астрофизики и космических исследований им. Кавли, а также сотрудники Института космических наук и Центра междисциплинарных исследований и исследований в астрофизике (CIERA).
Как объяснил Карл Родригес в недавнем пресс-релизе MIT:
«Мы думаем, что эти скопления образовались с сотнями или тысячами черных дыр, которые быстро опустились в центре. Эти виды кластеров, по сути, являются фабриками для бинарных файлов с черными дырами, где в маленькой области пространства висит так много черных дыр, что две черные дыры могут слиться и образовать более массивную черную дыру. Тогда эта новая черная дыра сможет найти другого спутника и снова слиться ».
Шаровые скопления были источником восхищения с тех пор, как астрономы впервые наблюдали их в 17 веке. Эти сферические наборы звезд являются одними из самых старых известных звезд во Вселенной и могут быть найдены в большинстве галактик. В зависимости от размера и типа галактики, которую они вращают, число скоплений варьируется: эллиптические галактики содержат десятки тысяч, в то время как в галактиках, подобных Млечному Пути, их более 150.
В течение многих лет Родригес изучал поведение черных дыр внутри шаровых скоплений, чтобы выяснить, взаимодействуют ли они со своими звездами иначе, чем черные дыры, которые занимают менее густонаселенные области в космосе. Чтобы проверить эту гипотезу, Родригес и его коллеги использовали суперкомпьютер Quest в Северо-Западном университете для проведения моделирования на 24 звездных скоплениях.
Эти скопления имели размер от 200 000 до 2 миллионов звезд и охватывали различные плотности и металлические составы. Моделирование моделировало эволюцию отдельных звезд в этих скоплениях в течение 12 миллиардов лет. Этого промежутка времени было достаточно, чтобы следовать за этими звездами, когда они взаимодействовали друг с другом и в итоге образовывали черные дыры.
Моделирование также моделировало эволюцию и траектории черных дыр после их образования. Как объяснил Родригес:
«Замечательно то, что черные дыры являются самыми массивными объектами в этих кластерах, они опускаются к центру, где вы получаете достаточно высокую плотность черных дыр, чтобы сформировать двойные файлы. Бинарные черные дыры в основном похожи на гигантские цели, висящие в скоплении, и когда вы бросаете в них другие черные дыры или звезды, они проходят эти сумасшедшие хаотические встречи ».
Принимая во внимание, что предыдущие моделирования были основаны на физике Ньютона, команда решила добавить релятивистские эффекты Эйнштейна в их моделирования шаровых скоплений. Это было связано с тем, что гравитационные волны были предсказаны не теориями Ньютона, а теорией Эйнштейна общей теории относительности. Как указал Родригес, это позволило им увидеть, как гравитационные волны играют роль:
«То, что люди делали в прошлом, было рассматривать это как чисто ньютоновскую проблему. Теория гравитации Ньютона работает в 99,9% случаев. Несколько случаев, когда это не работает, могут быть, когда у вас есть две черные дыры, свистящие друг с другом очень близко, что обычно не происходит в большинстве галактик ... В теории общей теории относительности Эйнштейна, где я могу излучать гравитационные волны, тогда когда одна черная дыра проходит рядом с другой, она может фактически излучать крошечный импульс гравитационных волн. Это может вычесть из системы достаточно энергии, чтобы две черные дыры действительно стали связанными, а затем они быстро слились ».
Они обнаружили, что внутри звездных скоплений черные дыры сливаются друг с другом, создавая новые черные дыры. В предыдущих симуляциях ньютоновская гравитация предсказывала, что большинство двойных черных дыр будет выброшено из скопления, прежде чем они смогут слиться. Но, принимая во внимание релятивистские эффекты, Родригес и его команда обнаружили, что почти половина двойных черных дыр слилась в более массивные.
Как объяснил Родригес, разница между теми, кто слился, и теми, кого выгнали, сводилась на нет
«Если две черные дыры вращаются, когда они сливаются, создаваемая ими черная дыра будет излучать гравитационные волны в одном предпочтительном направлении, например ракете, создавая новую черную дыру, которая может стрелять со скоростью 5000 километров в секунду - так, безумно быстро Для того, чтобы вырваться из одного из этих кластеров, требуется всего несколько десятков или сотен километров в секунду.
Это подняло еще один интересный факт о предыдущих моделях, когда астрономы полагали, что продукт любого слияния черных дыр будет выброшен из кластера, поскольку предполагается, что большинство черных дыр быстро вращаются. Однако измерения гравитационной волны, недавно полученные от LIGO, как представляется, противоречат этому, что обнаружило только слияние двойных черных дыр с низкими спинами.
Это предположение, однако, кажется противоречащим измерениям LIGO, который до сих пор обнаруживал только двойные черные дыры с низкими спинами. Чтобы проверить последствия этого, Родригес и его коллеги снизили скорость вращения черных дыр в своих симуляциях. Они обнаружили, что почти 20% двойных черных дыр из скоплений имели по крайней мере одну черную дыру в диапазоне от 50 до 130 масс Солнца.
По сути, это указывало на то, что это были черные дыры «второго поколения», поскольку ученые считают, что эта масса не может быть достигнута черной дырой, образовавшейся из одной звезды. Заглядывая в будущее, Родригес и его команда ожидают, что если LIGO обнаружит объект с массой в этом диапазоне, это, скорее всего, результат слияния черных дыр в плотном звездном скоплении, а не от одной звезды.
«Если мы будем ждать достаточно долго, то в конечном итоге LIGO увидит что-то, что могло прийти только из этих звездных скоплений, потому что это было бы больше, чем все, что вы могли бы получить от одной звезды», - говорит Родригес. «Мои соавторы и я держим пари против пары людей, изучающих бинарное звездообразование, что в течение первых 100 обнаружений LIGO LIGO обнаружит что-то в этом верхнем разрыве массы. Я получаю хорошую бутылку вина, если это правда.
Обнаружение гравитационных волн было историческим достижением, которое позволило астрономам провести новые и захватывающие исследования. Ученые уже получают новое понимание черных дыр, изучая побочный продукт их слияний. В ближайшие годы мы можем ожидать гораздо большего, благодаря совершенствованию методов и расширению сотрудничества между обсерваториями.
