Ученые знакомятся с черными дырами, натыкающимися на ночь. Еще в 2015 году обсерватория гравитационных волн с лазерным интерферометром (или LIGO) вошла в историю, обнаружив грохот в пространстве-времени, вызванный столкновением двух черных дыр в далекой-далекой галактике. Это первое обнаружение подтвердило существование двойных черных дыр звездной массы или дыр, рожденных в результате впечатляющих смертей массивных звезд сверхновыми. С тех пор мы обнаружили еще несколько слияний (плюс бонусное слияние нейтронных звезд!).
Теперь, в исследовании, опубликованном 10 апреля 2018 года в журнале Physical Review Letters, исследователи предполагают, что черные дыры, вероятно, многократно сливаются, образуя черные дыры, которые слишком массивны, чтобы их могла создать только одна звезда. А шаровые звездные скопления могут быть идеальным соседством для таких объектов, которые могут образовываться и сливаться снова и снова.
«Мы думаем, что эти скопления образовались из сотен и тысяч черных дыр, которые быстро опустились в центре», - сказал в своем заявлении Карл Родригес из Массачусетского технологического института и Института астрофизики и космических исследований Кавли. «Эти типы кластеров, по сути, являются фабриками для двойных черных дыр, где у вас есть так много черных дыр, болтающихся в небольшой области пространства, что две черные дыры могут слиться и образовать более массивную черную дыру. Тогда эта новая черная дыра сможет найти другого компаньона и снова слиться ».
LIGO еще не воспользовалась одним из этих «слияний второго поколения». Все слияния, обнаруженные на сегодняшний день, касаются черных дыр звездных масс (которые, вероятно, образованы одиночными массивными звездами). Однако, если в будущем будут обнаружены гравитационные волны в результате слияния с черной дырой, в 50 раз превышающей массу нашего Солнца, это станет веским доказательством того, что черные дыры сливаются снова и снова. И это было бы здорово.
«Если мы подождем достаточно долго, то в конечном итоге LIGO увидит то, что могло исходить только от этих звездных скоплений, потому что это было бы больше, чем все, что вы могли бы получить от одной звезды», - добавил Родригес.
Большинство галактик являются домом для шаровых скоплений, причем больше скоплений находится в более крупных галактиках. Следовательно, в массивных эллиптических галактиках могут находиться десятки тысяч скоплений, тогда как в Млечном Пути их около 200, а ближайшее из них находится на расстоянии 7000 световых лет от Земли. Эти скопления содержат древние звезды, все втиснутые в небольшой объем, поэтому созданы условия для того, чтобы любые черные дыры внутри этих скоплений упали в центр и стали удобнее с любыми другими черными дырами, которые могут скрываться.
Эта визуализация черной дыры иллюстрирует, как ее гравитация искажает наш взгляд, искажая ее окружение, как если бы мы видели ее в карнавальном зеркале.
КОСМИЧЕСКИЙ ЦЕНТР НАСА GODDARD / ДЖЕРЕМИ ШНИТТМАН
Если две черные дыры дрейфуют близко друг к другу после падения из разных частей кластера, расчеты теории относительности предполагают, что они будут излучать гравитационные волны, тем самым забирая энергию из своего движения через кластер. Это заставит черные дыры замедлиться и начнут закручиваться по спирали, в конечном итоге перейдя на бинарную орбиту вокруг друг друга. Тогда их судьбы решены. Обе черные дыры будут продолжать излучать гравитационные волны, заставляя их орбиту сжиматься, пока пара не столкнется, не сольется и не извергнется мощным взрывом гравитационной волны, который разнесется со скоростью света. Эта недавно слитая черная дыра затем зависнет внутри кластера, ожидая, пока другая черная дыра проплывет мимо и снова начнет бинарный танец.
Однако, когда команда Родригеса провела моделирование, они предположили, что сливающиеся черные дыры быстро вращаются, и результаты были довольно баллистическими.
Если две черные дыры вращаются, когда они сливаются, черная дыра, которую они создают, будет излучать гравитационные волны в одном предпочтительном направлении, как ракета, создавая новую черную дыру, которая может вылетать со скоростью 5000 километров в секунду - так что, безумно быстро, - сказал Родригес. «Чтобы выбраться из одного из этих скоплений, требуется всего лишь толчок от нескольких десятков до ста километров в секунду».
По этой логике, если объединенные черные дыры выгружаются из кластеров, они не могут снова объединиться. Но, проанализировав типичное вращение черных дыр, обнаруженное LIGO, команда обнаружила, что вращение черных дыр намного ниже, а это означает, что у кластеров меньше шансов высвободить свои недавно объединенные черные дыры. После внесения этой коррекции исследователи обнаружили, что почти у 20 процентов двойных черных дыр будет по крайней мере одна черная дыра, образовавшаяся в результате предыдущего слияния. По их мнению, черные дыры второго поколения должны иметь контрольный диапазон масс от 50 до 130 масс Солнца. Нет другого способа произвести черные дыры такой массы, если бы не слияния.
Итак, пока задача детекторов гравитационных волн мира - найти сигнал, созданный черной дырой второго поколения.
