Впервые ученым удалось дать объяснение сразу всем трем необычным характеристикам слияния двух черных дыр, которое было зарегистрировано в 2019 году при помощи детекторов гравитационных волн. Разработанная ими модель, представленная для публикации в журнале Nature, описывает взаимодействие трех ключевых факторов и предполагает, что столкновение произошло в отдаленной галактике, находящейся внутри обширного диска газа, вращающегося вокруг сверхмассивной черной дыры, расположенной в центре этой галактики.
Черные дыры представляют собой одни из самых загадочных явлений во Вселенной. Долгое время изучение этих объектов было затруднено тем фактом, что они не излучают свет. Однако в 2015 году ситуация изменилась: ученые впервые зарегистрировали гравитационные волны, возникшие при слиянии двух черных дыр, открыв новые возможности для их исследования.
«Однако остается неясным, каким образом и где во Вселенной формируются и объединяются черные дыры? Являются ли эти процессы следствием коллапса двух звезд, находящихся поблизости друг от друга и превращающихся в черные дыры, или результатом случайных столкновений внутри скоплений звезд, или же это обусловлено чем-то другим? – задается вопросом Йохан Самсинг, ведущий автор исследования из Института Нильса Бора Копенгагенского университета (Дания).
Неожиданное открытие
В 2019 году гравитационно-волновые обсерватории LIGO и «Virgo» зарегистрировали нетипичное событие, получившее идентификатор GW190521. Предполагается, что в результате этого слияния образовались две черные дыры, обладающие массами, превышающими физически допустимые пределы; кроме того, это объединение сопровождалось вспышкой электромагнитного излучения, и, наиболее примечательно, объекты, приближаясь друг к другу, двигались не по окружностям, а по вытянутым эллипсам.
Имре Бартос, соавтор работы из Университета Флориды (США), заявил: «Событие GW190521 – самое необычное, что мы видели до сих пор. Хотя ранее наблюдались черные дыры с аномальными массами и вращением, их некруговая орбита вызывает особенное удивление, поскольку в отсутствие третьего тела это явление сложно объяснить с точки зрения фундаментальных принципов гравитационных волн».
Нужен третий
Объяснение необычных характеристик события GW190521, возможно, кроется в условиях, существующих в центре галактики. В этом месте находится сверхмассивная черная дыра, масса которой составляет миллионы солнечных масс, и она окружена плоским вращающимся диском из газа.
«Аккреционный диск играет ключевую роль в процессе сближения и поглощения небольших черных дыр, которые постепенно перемещаются к центру и сталкиваются друг с другом. Этот факт свидетельствует не только о том, что они формируют пары, но и о нередких взаимодействиях таких двойных систем с другими черными дырами, иногда приводящих к сложному тройному движению», – объяснил Хиромичи Тагава, один из авторов научной работы из Университета Тохоку (Япония).
Тем не менее, все предыдущие научные труды указывали на то, что слияние черных дыр на вытянутых орбитах, обусловленных гравитационным влиянием третьего тела, является крайне редким явлением. В связи с этим возникает закономерный вопрос: почему событие GW190521, уже само по себе необычное, развилось именно таким образом?
Двухмерный бильярд
До настоящего времени все расчеты основывались на взаимодействии черных дыр в трехмерном пространстве, что характерно для звездных систем.
«Мы стали размышлять о том, что произойдет, если этот процесс будет происходить в плоском диске, который можно представить как структуру близкую к двумерной. К нашему удивлению, вероятность эксцентричного слияния увеличилась в сотню раз. Это означает, что примерно половина всех слияний, происходящих в дисках вокруг сверхмассивных черных дыр, будут характеризоваться вытянутыми орбитами», – сообщили авторы исследования.
Это объяснение прекрасно соответствует наблюдению события GW190521: значительные массы черных дыр были достигнуты благодаря последовательным слияниям внутри диска, источник вспышки света находится в газе, заполняющем этот диск, а вытянутые орбиты – результат взаимодействия объектов в чрезвычайно плотной и агрессивной среде.
«Нами установлено существенное расхождение в характеристиках сигналов, генерируемых черными дырами при слиянии: одни формируют плоские двумерные диски, другие – трехмерные звездные системы. Это предоставляет нам новый метод для изучения формирования и взаимодействия этих необычных объектов во Вселенной», – подытожил Йохан Самсинг.
