Ученые впервые смогли объяснить сразу все три необычных свойства события слияния пары черных дыр, зафиксированного в 2019 году детекторами гравитационных волн. Разработанная ими модель, опубликованная в журнале Nature, описывает взаимодействие трех компонентов и предполагает, что столкновение произошло в далекой галактике в гигантском диске из газа, вращающемся вокруг центральной сверхмассивной черной дыры.
Художественное представление роя черных дыр звездной массы в диске из газа, окружающем сверхмассивную черную дыру в центре галактики. Credit: J. Samsing/Niels Bohr Institute
Черные дыры являются одними из самых удивительных объектов во Вселенной, однако наши знания о них на протяжении десятилетий были сильно ограничены из-за того, что сами по себе они не испускают свет. Но в 2015 году был совершен прорыв – впервые были зафиксированы гравитационные волны от слияния двух черных дыр, что позволило сделать большой шаг в их изучении.
«Но как и где во Вселенной образуются и сливаются черные дыры? Происходят ли эти события, когда две близко расположенные звезды коллапсируют и превращаются в черные дыры, или они результат случайных столкновений в звездных скоплениях, или что-то еще? Это одни из ключевых вопросов новой эры гравитационно-волновой астрофизики», – говорит Йохан Самсинг, ведущий автор исследования из Института Нильса Бора Копенгагенского университета (Дания).
Неожиданное открытие
В 2019 году гравитационно-волновыми обсерваториями LIGO и «Virgo» было зафиксировано неожиданное событие, получившее обозначение GW190521. Считается, что его участниками стали две черные дыры с массами, превосходящими физически возможные, кроме этого, слияние сопровождалось вспышкой света, и, что наиболее странно, объекты, двигаясь навстречу друг другу, вращались не по круговым орбитам, а по эллиптическим.
Художественное представление черных дыр, породивших событие GW190521. Credit: Deborah Ferguson, Karan Jani, Deirdre Shoemaker, Pablo Laguna, Georgia Tech, MAYA Collaboration
«Событие GW190521 – самое удивительное на сегодняшний день. Необычные массы и спины черных дыр уже фиксировались, но некруговая орбита крайне удивительна, так как без влияния третьего тела это не вписывается в фундаментальную природу гравитационных волн», – отметил Имре Бартос, соавтор исследования из Университета Флориды (США).
Нужен третий
Возможное решение всех необычных свойств события GW190521 удалось найти в суровых условиях в центре галактики, содержащей гигантскую черную дыру с массой в несколько миллионов солнечных и окруженной плоским вращающимся диском из газа.
«Диск играет важную роль в захвате черных дыр небольшого размера, которые со временем приближаются к центру и друг к другу. Это говорит не только о том, что они встречаются и образуют пары, но и о частых взаимодействиях таких дуэтов с еще одной черной дырой, иногда приводящих к тройному хаотическому танго», – пояснил Хиромичи Тагава, соавтор исследования из Университета Тохоку (Япония).
Черная дыра с аккреционным диском и струей светящегося горячего газа. Credits: NASA/JPL-Caltech
Однако все предыдущие исследования указывали на то, что слияния черных дыр на эксцентричных орбитах, создаваемых воздействием третьего объекта, происходят крайне редко. Естественно возникает вопрос: почему уже и без того необычное событие GW190521 прошло по такому сценарию?
Двухмерный бильярд
Все, что было рассчитано до сих пор, опиралось на взаимодействие черных дыр в трех измерениях, как это ожидается в звездных системах.
«И тут мы задумались, что произойдет, если этот процесс будет протекать в плоском диске, который ближе к двумерной среде. Удивительно, но вероятность эксцентричного слияния выросло в сто раз. Это приводит к тому, что примерно половина всех слияний в дисках, окружающих сверхмассивные черные дыры, будут характеризоваться вытянутыми орбитами», – заявили авторы исследования.
Эволюция черных дыр, породивших событие GW190521. Credit: Deborah Ferguson, Karan Jani, Deirdre Shoemaker, Pablo Laguna, Georgia Tech, MAYA Collaboration
Это решение невероятно хорошо согласуется с наблюдением события GW190521: большие массы черных дыр были достигнуты последовательными слияниями внутри диска, вспышка света берет свое начало в заполняющем его газе, а вытянутые орбиты результат взаимодействия объектов в невероятно агрессивной и плотной среде.
«Теперь мы выяснили, что существует огромная разница в сигналах, испускаемых черными дырами, которые сливаются в плоских двумерных дисках и в трехмерных звездных системах. Это дает нам дополнительный инструмент, который можно использовать для понимания процессов создания и столкновения этих экзотических объектов нашей Вселенной», – заключил Йохан Самсинг.