У лютому 2016 року вчені, які працюють в Лазерному інтерферометрі гравітаційно-хвильової обсерваторії (LIGO), внесли історію, коли оголосили про перше в історії виявлення гравітаційних хвиль. Це відкриття не тільки підтвердило багатовікове передбачення, зроблене теорією загальної відносності Ейнштейна, воно також підтвердило існування зоряних бінарних чорних дір - які в першу чергу злилися для отримання сигналу.
І тепер міжнародна команда на чолі з астрофізиком MIT Карлом Родрігесом підготувала дослідження, яке передбачає, що чорні діри можуть зливатися в кілька разів. Згідно з їхнім дослідженням, ці "злиття другого покоління", ймовірно, відбуваються всередині кульових скупчень, великих і компактних зоряних скупчень, які зазвичай орбітують на краях галактик - і які щільно переповнені сотнями тисяч до мільйонів зірок.
Дослідження під назвою "Пост-ньютонівська динаміка у щільних зіркових скупченнях: високоексцентричне, сильно спінінг та повторне бінарне злиття чорної діри", нещодавно з'явилося в Листи з фізичного огляду. Дослідженням керував Карл Родрігес, науковий співробітник Паппалардо у відділі фізики MIT та Інституту астрофізики та космічних досліджень Кавлі та включав членів Інституту космічних наук та Центру міждисциплінарних досліджень та досліджень в астрофізиці (CIERA).
Як пояснив Карл Родрігес у недавньому прес-релізі MIT:
«Ми вважаємо, що в цих скупченнях утворилися сотні до тисяч чорних дір, які швидко опускалися в центр. Такі кластери - це фактично фабрики для бінарних чорних дір, де у вас невелика кількість чорних дір, які висять у невеликому просторі, що дві чорні діри можуть злитися та створити більш масивну чорну діру. Тоді ця нова чорна діра може знайти іншого супутника і знову злитися ».
Кульові скупчення викликають захоплення з тих пір, як астрономи вперше спостерігали їх у 17 столітті. Ці сферичні колекції зірок є одними з найдавніших відомих зірок у Всесвіті, і їх можна знайти в більшості галактик. Залежно від розміру і типу галактики, на якій вони орбітують, кількість скупчень змінюється, еліптичні галактики розміщують десятки тисяч, а галактик, як Чумацький Шлях, мають понад 150.
Родрігес роками досліджував поведінку чорних дір всередині кульових скупчень, щоб побачити, чи взаємодіють вони зі своїми зірками по-різному від чорних дір, які займають менш густонаселені регіони в просторі. Для перевірки цієї гіпотези Родрігес та його колеги використовували суперкомп'ютер Quest у Північно-Західному університеті для проведення моделювання на 24 зоряних кластерах.
Ці скупчення мали величину від 200000 до 2 млн. Зірок і охоплювали діапазон різної щільності та металевих композицій. Моделювання моделювали еволюцію окремих зірок у цих кластерах протягом 12 мільярдів років. Цього періоду часу було достатньо, щоб слідкувати за цими зірками, коли вони взаємоділи між собою, і врешті-решт утворювали чорні діри.
Моделювання також моделювали еволюцію та траєкторії чорних дір після їх утворення. Як пояснив Родрігес:
«Акуратне в тому, що чорні діри - це наймасовіші об’єкти в цих кластерах, вони опускаються до центру, де ви отримуєте достатньо високу щільність чорних дір для формування бінарних файлів. Бінарні чорні діри в основному схожі на гігантські цілі, що висять у скупченні, і, як ви кидаєте на них інші чорні діри чи зірки, вони зазнають цих шалених хаотичних зустрічей ".
У той час як попередні симуляції ґрунтувалися на фізиці Ньютона, команда вирішила додати релятивистські ефекти Ейнштейна до їх моделювання кульових скупчень. Це було пов’язано з тим, що гравітаційні хвилі передбачалися не теоріями Ньютона, а теорією загальної відносності Ейнштейна. Як зазначав Родрігес, це дозволило їм бачити, як грають гравітаційні хвилі:
«Те, що робили люди в минулому, було трактувати це як суто ньютонівську проблему. Теорія гравітації Ньютона працює в 99,9 відсотка всіх випадків. Нечисленні випадки, коли це не працює, можуть бути, коли у вас дуже сильно світяться дві чорні діри, що зазвичай не відбувається в більшості галактик ... У теорії загальної відносності Ейнштейна, де я можу випромінювати гравітаційні хвилі, тоді коли одна чорна діра проходить поблизу іншої, вона може фактично випромінювати крихітний імпульс гравітаційних хвиль. Це може відняти достатню кількість енергії від системи, що дві чорні діри фактично зв'язаться, і тоді вони швидко зляться ».
Вони спостерігали, що всередині зоряних скупчень чорні діри зливаються між собою, створюючи нові чорні діри. У попередніх моделюваннях гравітація Ньютона прогнозувала, що більшість бінарних чорних дір будуть витіснені з кластеру, перш ніж вони зможуть злитися. Але врахувавши релятивістські ефекти, Родрігес та його команда виявили, що майже половина бінарних чорних дір злилася та утворила більш масивні.
Як пояснив Родрігес, різниця між тими, хто злився, і тими, які були вигнані, зводилася до того, щоб обернутися:
"Якщо дві чорні діри обертаються, коли вони зливаються, чорна діра, яку вони створюють, випромінює гравітаційні хвилі в одному бажаному напрямку, як ракета, створюючи нову чорну діру, яка може вистрілити так само швидко, як 5000 кілометрів в секунду - так, шалено швидко. Щоб уникнути однієї з цих скупчень, потрібно лише кілька ударів від десятків до ста кілометрів на секунду. "
Це викликало ще один цікавий факт про попередні симуляції, коли астрономи вважали, що продукт будь-якого злиття чорної діри буде витіснений із кластера, оскільки більшість чорних дір, як вважається, швидко крутяться. Однак нещодавно отримані вимірювання сили тяжіння хвилі, отримані від LIGO, суперечать цьому, що виявило лише злиття бінарних чорних дір із низькими крутями.
Однак це припущення, здається, суперечить вимірам LIGO, який поки що виявляв лише бінарні чорні діри з низькими закрутками. Щоб перевірити наслідки цього, Родрігес та його колеги знизили частоту віджимання чорних дір у своїх моделюваннях. Вони виявили, що майже 20% бінарних чорних дір від кластерів мали принаймні одну чорну діру, яка становила від 50 до 130 сонячних мас.
По суті, це свідчило про те, що це були чорні діри "другого покоління", оскільки вчені вважають, що ця маса не може бути досягнута чорною дірою, що утворилася з однієї зірки. Забігаючи наперед, Родрігес та його команда передбачають, що якщо LIGO виявить об'єкт із масою в цьому діапазоні, то, швидше за все, це результат злиття чорних дір усередині щільного зоряного скупчення, а не з однієї зірки.
"Якщо ми будемо чекати досить довго, то зрештою LIGO побачить щось, що могло виникнути лише з цих зіркових скупчень, оскільки воно було б більшим за все, що можна отримати від однієї зірки", - говорить Родрігес. «Мої співавтори та я маю накладну ставку на пару людей, які вивчають формування бінарних зірок, що в межах перших 100 виявлень LIGO LIGO виявить щось у межах цього верхнього проміжку маси. Я отримую хорошу пляшку вина, якщо це станеться правдою ».
Виявлення гравітаційних хвиль було історичним досягненням, яке дозволило астрономам проводити нові захоплюючі дослідження. Вже зараз вчені отримують нове розуміння чорних дір, вивчаючи побічний продукт їх злиття. У найближчі роки ми можемо очікувати, що ми дізнаємось набагато більше завдяки вдосконаленню методів та розширенню співпраці між обсерваторіями.
