Астрофизики смоделировали огромный космический бильярд из черных дыр
В 2019 году было сделано неожиданное открытие гравитационных волн. Колоссальная рябь прошла по ткани Вселенной — пространственно-временному континууму — из-за столкновения и слияния двух черных дыр. Событие, которому присвоили название GW190521, было очень странным. Черные дыры оказались тяжелее, чем считалось физически возможным. Кроме того, они произвели вспышку света, что тоже очень необычно для абсолютно черных космических объектов.
Со временем, после расчетов, астрофизики открыли самую странную характеристику события — черные дыры перед слиянием не двигались по круговой орбите друг вокруг друга. Они как будто столкнулись «в свободном полете» или двигаясь по сильно вытянутой орбите.
Ученые из Копенгагенского университета объяснили все эти странные явления в своей научной статье, которая была опубликована в Nature. Кратко об открытии пишет EurekAlert!.
«Мы знаем, что черная дыра, скорее всего, образуется, когда звезда умирает. Но где и как застать встречу одной черной дыры с другой?» — говорит астрофизик и первый автор исследования Йохан Самсинг, доцент Копенгагенского университета.
Расчеты сходятся почти идеально, если в систему ввести два новых действующих лица: еще одну сверхмассивную черную дыру и обширный плоский диск газа вокруг нее. В центрах галактик бывает такое, что огромная черная дыра притягивает к себе среди прочего и черные дыры поменьше. В этом случае последние втягиваются в странный гравитационный танец между собой и черной дырой в центре.
«В этих средах типичная скорость и плотность черных дыр настолько высоки, что более мелкие черные дыры перемещаются как в гигантской игре в бильярд — ровные круговые двойные системы просто не могут существовать», — отмечает соавтор работы, профессор Бенс Кочиш из Оксфордского университета.
«Новые исследования показывают, что газовый диск играет важную роль в захвате черных дыр меньшего размера, которые со временем приближаются к центру и одновременно друг к другу. Это означает не только, что они встречаются и образуют пары, но и что такая пара может взаимодействовать со второй, третьей черной дырой, что часто приводит к хаотическому движению», — объясняет астрофизик Хиромити Тагава из Университета Тохоку, соавтор исследования.
Раньше предполагалось, что этот своеобразный танец трехмерный — относительно небольшие черные дыры движутся в разных плоскостях вокруг центральной. Однако расчеты показали, что последнее столкновение произошло в результате взаимодействия в одной плоскости — в плоском газовом диске, который, действительно, оказался похож на бильярдный стол.
Гипотеза газового диска также объясняет другие загадочные свойства GW190521. Большие массы черных дыр получились в результате последовательных слияний внутри диска, в то время как вспышка света могла произойти от окружающего газа.
«Мы показали, что есть огромная разница в данных, излучаемых черными дырами, которые сливаются в плоских газовых дисках, по сравнению с сигналами, которые мы часто наблюдаем в трехмерных звездных системах. Теперь у нас есть дополнительный инструмент, чтобы узнать о том, как ведут себя черные дыры в нашей Вселенной», — говорит Йохан Самсинг.
