В январе 2016 года исследователи в Обсерватории гравитационно-волновых лазеров с лазерным интерферометром (LIGO) вошли в историю, объявив о первом в истории обнаружении гравитационных волн. При поддержке Национального научного фонда (NSF) и под управлением Caltech и MIT, LIGO занимается изучением волн, предсказанных теорией общей теории относительности Эйнштейна и вызванных слияниями черных дыр.
Согласно новому исследованию, проведенному группой астрономов из Центра космологии Калифорнийского университета в Ирвине, такие слияния встречаются гораздо чаще, чем мы думали. После проведения исследования космоса, предназначенного для расчета и классификации черных дыр, команда UCI определила, что в галактике может быть до 100 миллионов черных дыр, и это открытие имеет существенное значение для изучения гравитационных волн.
Исследование, которое детализирует их результаты под названием «Подсчет черных дыр: Космическое звездное остаточное население и последствия для LIGO», недавно появилось в Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества. Во главе с Оливером Д. Элбертом, аспирантом кафедры физики и астрономии в Калифорнийском университете в Ирвине, команда провела анализ сигналов гравитационных волн, которые были обнаружены LIGO.
Их исследование началось примерно полтора года назад, вскоре после того, как LIGO объявил о первом обнаружении гравитационных волн. Эти волны были созданы в результате слияния двух далеких черных дыр, каждая из которых по массе была эквивалентна примерно 30 Солнцам. Как объяснил в пресс-релизе UCI Джеймс Баллок, профессор физики и астрономии в Калифорнийском университете в Ирвине и соавтор статьи.
«По сути, обнаружение гравитационных волн было огромным делом, поскольку это было подтверждением ключевого прогноза общей теории относительности Эйнштейна. Но затем мы посмотрели ближе на астрофизику фактического результата, слияние двух черных дыр с массой 30 солнечных частиц. Это было просто поразительно и заставило нас спросить: «Насколько распространены черные дыры такого размера и как часто они сливаются?»
Традиционно астрономы придерживались мнения, что черные дыры обычно имеют такую же массу, что и наше Солнце. Как таковые, они стремились интерпретировать многочисленные гравитационные волны, сделанные LIGO, с точки зрения того, что известно о формировании галактики. Помимо этого, они также стремились создать основу для прогнозирования будущих слияний чёрных дыр.
Исходя из этого, они пришли к выводу, что в галактике Млечный путь будет находиться до 100 миллионов черных дыр, 10 миллионов из которых будут иметь оценочную массу около 30 масс Солнца - то есть аналогично тем, которые слились и создали первые гравитационные волны, обнаруженные LIGO в 2016 году. Между тем, в галактиках-карликах, таких как Гном-Драко, которые находятся на орбите на расстоянии около 250000 миль от центра нашей галактики, будет около 100 черных дыр.
Они также определили, что сегодня большинство черных дыр с низкой массой (~ 10 солнечных масс) находятся в галактиках с 1 триллионом солнечных масс (массивных галактик), в то время как массивные черные дыры (~ 50 солнечных масс) находятся в галактиках, имеющих около 10 миллиардов солнечных масс. (т.е. карликовые галактики). Рассмотрев взаимосвязь между массой галактики и звездной металличностью, они интерпретировали количество черных дыр в галактике как функцию ее звездной массы.
Кроме того, они также пытались определить, как часто черные дыры встречаются парами, как часто они сливаются и сколько времени это займет. Их анализ показал, что только небольшая часть черных дыр должна быть вовлечена в слияния, чтобы учесть то, что наблюдал LIGO. Он также предложил прогнозы, которые показали, как еще большие черные дыры могут слиться в течение следующего десятилетия.
Как объяснил Манодж Каплингхат, профессор физики и астрономии UCI и второй соавтор исследования:
«Мы показываем, что только 0,1–1 процент образовавшихся черных дыр должен объединиться, чтобы объяснить то, что видел LIGO. Конечно, черные дыры должны подойти достаточно близко, чтобы слиться за разумное время, что является открытой проблемой ... Если нынешние представления о звездной эволюции верны, то наши расчеты показывают, что слияния даже черных дыр с массой 50 солнечных частиц быть обнаруженным через несколько лет ».
Другими словами, наша галактика может кишеть черными дырами, и слияния могут происходить на регулярной основе (относительно космологических временных шкал). Таким образом, мы можем ожидать, что в ближайшие годы будет возможно гораздо больше обнаружений гравитационных волн. Это не должно вызывать удивления, поскольку LIGO провела два дополнительных обнаружения с зимы 2016 года.
Ожидается, что у многих астрономов будет много возможностей изучить слияния черных дыр, не говоря уже о физике, которая их ведет!
