Бильярд из черных дыр в центрах галактик

Исследователи дали первое правдоподобное объяснение тому, почему одна из самых массивных пар черных дыр, наблюдавшихся до сих пор с помощью гравитационных волн, также, похоже, слилась на некруговой орбите. Предложенное ими решение, опубликованное в журнале Nature, связано с хаотичной тройной драмой внутри гигантского диска газа вокруг сверхмассивной черной дыры в далекой-далекой галактике.

Черные дыры - одни из самых интересных объектов во Вселенной, но наши знания о них все еще ограничены - особенно потому, что они не излучают свет. До нескольких лет назад свет был основным источником знаний о нашей Вселенной и ее черных дырах, пока в 2015 году Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) не сделала прорывное наблюдение гравитационных волн от слияния двух черных дыр.

"Но как и где в нашей Вселенной образуются и сливаются такие черные дыры? Происходит ли это, когда близлежащие звезды коллапсируют и обе превращаются в черные дыры, происходит ли это в результате тесных случайных встреч в звездных скоплениях, или это что-то другое? Это одни из ключевых вопросов новой эры гравитационно-волновой астрофизики", - говорит ассистент. Профессор Йохан Самсинг из Института Нильса Бора при Копенгагенском университете, ведущий автор статьи.

Он и его коллеги, возможно, теперь предоставили новый кусочек головоломки, который, возможно, решит последнюю часть загадки, над которой астрофизики бились последние несколько лет".

Неожиданное открытие в 2019 году

Загадка относится к 2019 году, когда обсерваториями LIGO и Virgo было сделано неожиданное открытие гравитационных волн. Событие, получившее название GW190521, объясняется слиянием двух черных дыр, которые не только оказались тяжелее, чем считалось ранее физически возможным, но и произвели вспышку света.

Впоследствии были даны возможные объяснения этим двум характеристикам, но гравитационные волны также выявили третью удивительную особенность этого события - а именно то, что черные дыры не вращались друг вокруг друга по окружности за мгновения до слияния.

"Гравитационно-волновое событие GW190521 является самым удивительным открытием на сегодняшний день. Массы и спины черных дыр уже были удивительными, но еще более удивительным было то, что они не имели круговой орбиты перед слиянием", - говорит соавтор исследования Имре Бартос, профессор Университета Флориды.    

Но почему некруговая орбита является такой необычной и неожиданной?

"Это связано с фундаментальной природой излучаемых гравитационных волн, которые не только сближают пару черных дыр для их окончательного слияния, но и циркулируют по их орбите", - объясняет соавтор исследования Золтан Хайман, профессор Колумбийского университета.

Это наблюдение заставило задуматься многих людей по всему миру, включая Йохана Самсинга из Копенгагена,

"Это заставило меня задуматься о том, как такие некруговые (известные как "эксцентрические") слияния могут происходить с удивительно высокой вероятностью, как предполагает наблюдение", - говорит Йохан Самсинг.

Для танго нужны трое

Возможный ответ можно найти в суровых условиях в центрах галактик, где находится гигантская черная дыра, масса которой в миллионы раз превышает массу Солнца, окруженная плоским вращающимся диском газа.

"В этих условиях типичная скорость и плотность черных дыр настолько высока, что меньшие черные дыры разлетаются, как в гигантской игре на бильярде, и широкие круговые бинары не могут существовать", - указывает соавтор работы профессор Бенс Кочис из Оксфордского университета.

Но, как утверждает группа, одной гигантской черной дыры недостаточно,

"Новые исследования показывают, что газовый диск играет важную роль в захвате более мелких черных дыр, которые со временем перемещаются ближе к центру, а также ближе друг к другу. Это не только предполагает, что они встречаются и образуют пары, но и то, что такая пара может взаимодействовать с другой, третьей, черной дырой, что часто приводит к хаотичному танго с тремя черными дырами, летающими вокруг", - объясняет астрофизик Хиромичи Тагава из Университета Тохоку, соавтор исследования.

Однако все предыдущие исследования вплоть до наблюдения GW190521 указывали на то, что образование эксцентричных слияний черных дыр происходит относительно редко. Естественно, возникает вопрос: Почему и без того необычный источник гравитационных волн GW190521 также слился на эксцентричной орбите?

Двумерный бильярд черных дыр

Все, что было рассчитано до сих пор, основывалось на представлении, что взаимодействие черных дыр происходит в трех измерениях, как и ожидалось в большинстве рассмотренных до сих пор звездных систем.

"Но затем мы начали думать о том, что произойдет, если взаимодействие черных дыр будет происходить в плоском диске, что ближе к двумерной среде. Удивительно, но в этом пределе мы обнаружили, что вероятность образования эксцентричного слияния возрастает в 100 раз, что приводит к тому, что около половины всех слияний черных дыр в таких дисках могут быть эксцентричными", - говорит Йохан Самсинг и продолжает:

"И это открытие невероятно хорошо согласуется с наблюдениями 2019 года, которые в целом теперь указывают на то, что в остальном впечатляющие свойства этого источника не так уж и странны, если он был создан в плоском газовом диске, окружающем сверхмассивную черную дыру в галактическом ядре".

Это возможное решение также добавляет к столетней проблеме в механике,

"Взаимодействие между 3 объектами - одна из самых старых проблем в физике, которую интенсивно изучали и Ньютон, и я, и другие. То, что теперь это, похоже, играет решающую роль в том, как черные дыры сливаются в некоторых из самых экстремальных мест нашей Вселенной, невероятно увлекательно", - говорит соавтор исследования Натан В. Лей, профессор Университета Консепсьона, Чили.

Черные дыры в газообразных дисках

Теория газового диска также согласуется с объяснениями других исследователей двух других загадочных свойств GW190521. Большая масса черной дыры была достигнута в результате последовательных слияний внутри диска, а излучение света может происходить из окружающего газа.

"Теперь мы показали, что может быть огромная разница в сигналах, испускаемых черными дырами, которые сливаются в плоских двумерных дисках, по сравнению с теми, которые мы часто рассматриваем в трехмерных звездных системах, что говорит нам о том, что теперь у нас есть дополнительный инструмент, который мы можем использовать для изучения того, как черные дыры создаются и сливаются в нашей Вселенной", - говорит Йохан Самсинг.

Но это исследование - только начало,

"Люди уже много лет работают над пониманием структуры таких газовых дисков, но эта проблема сложна. Наши результаты чувствительны к тому, насколько плоским является диск, и как черные дыры перемещаются в нем. Время покажет, узнаем ли мы больше об этих дисках, когда у нас будет больше популяции слияний черных дыр, включая более необычные случаи, подобные GW190521. Чтобы сделать это, мы должны опираться на наше опубликованное открытие и посмотреть, куда оно приведет нас в этой новой и захватывающей области", - заключает соавтор Золтан Хайман.