За последние несколько лет гравитационно-волновая астрономия совершила настоящую революцию. Если ещё недавно чёрные дыры были объектами исключительно косвенных наблюдений, то сегодня учёные регулярно регистрируют их столкновения благодаря гравитационным волнам — колебаниям пространства-времени, возникающим при слиянии сверхмассивных объектов.
Каждое такое событие позволяет узнать не только массу и скорость вращения чёрных дыр, но и восстановить историю их формирования. Новое исследование показывает, что некоторые из зарегистрированных столкновений могут быть частью гораздо более сложного процесса. Вместо однократного слияния отдельные чёрные дыры, вероятно, переживают несколько последовательных объединений, постепенно увеличивая свою массу.
Как рождаются чёрные дыры
Большинство известных чёрных дыр звёздной массы появляются после гибели очень массивных звёзд.
Когда такая звезда исчерпывает запас термоядерного топлива, её ядро теряет способность сопротивляться собственной гравитации.
В результате происходит коллапс, после которого может образоваться чёрная дыра.
Если рядом находится ещё одна массивная звезда, впоследствии обе чёрные дыры способны образовать двойную систему.
Со временем они начинают сближаться и в конечном итоге сливаются.
Что происходит во время столкновения
Когда две чёрные дыры вращаются друг вокруг друга, они постепенно теряют энергию.
Излучение этой энергии происходит в виде гравитационных волн.
Орбиты становятся всё меньше.
Скорость вращения возрастает.
В последние доли секунды объекты совершают несколько стремительных оборотов и объединяются в одну более массивную чёрную дыру.
Именно этот финальный этап современные детекторы способны зарегистрировать с высокой точностью.
Гравитационные волны открыли новое окно во Вселенную
Первые прямые наблюдения гравитационных волн стали одним из крупнейших научных достижений XXI века.
Теперь астрономы могут изучать процессы, которые невозможно увидеть обычными телескопами.
Гравитационные волны позволяют определить:
- массы сталкивающихся объектов;
- скорость их вращения;
- расстояние до события;
- параметры получившейся чёрной дыры.
Каждое новое наблюдение расширяет представления о том, как развивается население чёрных дыр в нашей Вселенной.
Некоторые чёрные дыры оказались неожиданно тяжёлыми
После накопления большого количества наблюдений исследователи заметили интересную закономерность.
Часть обнаруженных чёрных дыр обладает массой, которую сложно объяснить обычной эволюцией одиночных звёзд.
Такие объекты могут оказаться слишком массивными для прямого образования после одного звёздного коллапса.
Возник вопрос: откуда они появились?
Возможный ответ — повторные слияния
Авторы нового исследования предполагают, что некоторые чёрные дыры могли возникнуть не непосредственно после гибели звезды.
Сначала происходило одно столкновение двух менее массивных объектов.
Получившаяся чёрная дыра продолжала существовать внутри плотного звёздного скопления.
Позднее она снова встретилась с другой чёрной дырой.
Затем произошло новое слияние.
Если подобный процесс повторяется несколько раз, масса объекта постепенно увеличивается.
Где могут происходить такие события
Повторные столкновения наиболее вероятны в регионах с очень высокой плотностью звёзд.
Например:
- шаровых звёздных скоплениях;
- плотных звёздных ядрах;
- окрестностях сверхмассивных чёрных дыр;
- молодых компактных звёздных скоплениях.
В подобных условиях вероятность встречи двух чёрных дыр значительно выше, чем в обычной части галактики.
Вращение помогает восстановить историю объекта
Одним из важнейших параметров остаётся скорость вращения чёрной дыры.
Если объект уже участвовал в предыдущем слиянии, его вращение может заметно отличаться от вращения чёрной дыры, образовавшейся напрямую после гибели звезды.
Именно поэтому исследователи внимательно анализируют:
- направление вращения;
- его скорость;
- взаимную ориентацию компонентов двойной системы.
Эти характеристики могут рассказать о прошлом объекта.
Почему это важно для понимания эволюции Вселенной
Чёрные дыры оказывают огромное влияние на развитие галактик.
Они участвуют в:
- формировании звёздных скоплений;
- перераспределении вещества;
- динамике плотных звёздных систем;
- возникновении мощных источников излучения.
Если значительная часть массивных чёрных дыр возникает именно благодаря повторным столкновениям, существующие модели эволюции придётся уточнить.
Компьютерное моделирование помогает проверить гипотезу
Наблюдать последовательные слияния напрямую практически невозможно.
Поэтому исследователи используют сложные численные модели.
Компьютеры рассчитывают:
- движение тысяч звёзд;
- взаимодействие чёрных дыр;
- вероятность столкновений;
- изменение масс объектов;
- их дальнейшую эволюцию.
Полученные результаты затем сравниваются с реальными наблюдениями гравитационных волн.
Почему каждое новое обнаружение особенно ценно
Количество зарегистрированных столкновений постоянно увеличивается.
Каждое событие становится ещё одной точкой в огромной статистической выборке.
Чем больше накоплено данных, тем легче отличить случайные совпадения от настоящих закономерностей.
Именно поэтому будущие наблюдения смогут подтвердить или опровергнуть гипотезу о повторных слияниях.
Будущие детекторы увидят ещё больше
Новые поколения гравитационно-волновых обсерваторий будут значительно чувствительнее нынешних.
Это позволит:
- регистрировать более далёкие столкновения;
- обнаруживать менее массивные объекты;
- измерять параметры с большей точностью;
- изучать историю формирования чёрных дыр во всей наблюдаемой Вселенной.
Чем больше подобных событий окажется в распоряжении исследователей, тем яснее станет роль повторных слияний.
История каждой чёрной дыры может оказаться намного сложнее, чем считалось
Новое исследование показывает, что столкновение двух чёрных дыр вовсе не обязательно становится финалом их эволюции. Получившийся объект способен продолжить своё существование, вновь встретить другую чёрную дыру и снова принять участие в грандиозном космическом событии.
Если эта гипотеза подтвердится, многие самые массивные чёрные дыры звёздной массы окажутся своеобразными «ветеранами» нескольких последовательных слияний. Гравитационные волны, которые сегодня регистрируют астрономы, в этом случае становятся не просто свидетельством одного столкновения, а своеобразной летописью длительной истории роста чёрных дыр, продолжающейся на протяжении миллионов или даже миллиардов лет.
Источники:
Статья создана по материалам UniverseToday.com
