В прошлом году ученые объявили, что наблюдали гравитационные волны, неуловимую и долгожданную рябь в пространстве-времени, предложенную Альбертом Эйнштейном. Волны были созданы столкновением двух черных дыр всего в 1,3 миллиардах световых лет от Земли, и высвободившаяся энергия прокатилась по Вселенной, как рябь по поверхности пруда.
Обнаружение интерферометра LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) вместе с еще двумя открытиями гравитационных волн подтверждает великое предсказание Эйнштейном общей теории относительности в 1915 году и возвещает новую эру в физике, позволяющую ученым исследовать Вселенную по-новому. - использование гравитации вместо света.
Однако основной вопрос остается без ответа: как и почему черные дыры встречаются и сталкиваются?
Чтобы черные дыры слились, они должны находиться близко друг к другу (по астрономическим меркам), не более чем на расстоянии от Земли до Солнца. Однако черными дырами могут стать только звезды с очень большими массами, и в течение своей жизни эти звезды расширяются, становясь еще больше.
Результаты исследования, опубликованные в Nature Communications, используют новую модель под названием COMPAS (Compact Object Mergers: Population Astrophysics and Statistics), чтобы ответить на вопрос, как большие двойные звезды в конечном итоге станут черными дырами на такой очень маленькой орбите. COMPAS позволяет ученым выполнять своего рода «палеонтологию» гравитационных волн.
«Палеонтолог может узнать, как выглядел динозавр, исследуя его скелет. Точно так же мы можем изучать слияния черных дыр и использовать эти наблюдения, чтобы выяснить, как звезды взаимодействовали во время их короткой, но интенсивной жизни», — говорится в заявлении Ильи Манделя из Бирмингемского университета в Великобритании.
Астрономы обнаружили, что даже две довольно далекие звезды-предки могут взаимодействовать друг с другом по мере расширения, участвуя во множественных эпизодах массообмена.
Ученые начали анализировать три случая гравитационных волн, обнаруженных LIGO, и попытались выяснить, развивались ли все три столкновения черных дыр одинаково.
Процесс начинается с двух массивных звезд-предков, которые довольно удалены друг от друга. По мере того, как звезды расширяются, они сближаются так близко друг к другу, что не могут выйти из общей гравитации, чтобы взаимодействовать и участвовать в эпизодах массообмена. Это приводит к очень быстрому, динамически нестабильному событию, которое окружает оба звездных ядра плотным облаком газообразного водорода.
Для образования двух черных дыр требуется несколько миллионов лет, с возможной реальной задержкой в миллиарды лет, прежде чем черные дыры сольются в одну большую черную дыру. Но сама связь может быть быстрой и бурной.
Ученые обнаружили, что моделирование COMPAS помогло команде понять типичные свойства двойных звезд, которые могут образовывать такие пары сливающихся черных дыр, и среду, в которой это может произойти.
Например, команда обнаружила, что слияние черных дыр с явно неравными массами будет убедительным доказательством того, что звезды образовались почти полностью из водорода и гелия (так называемые звезды с низкой металличностью) и других элементов, составляющих не более 0,1 % звездная материя. Астрономы также смогли сделать вывод, что все три события, обнаруженные LIGO, возникли в среде с низкой металличностью.
Команда продолжит использовать программу COMPAS, чтобы лучше понять, как могли возникнуть двойные системы черных дыр, обнаруженные LIGO, и как будущие наблюдения могут сообщить нам о самых катастрофических событиях во Вселенной.