У січні 2016 року дослідники Лазерного інтерферометра з гравітаційно-хвильовою обсерваторією (LIGO) внесли історію, коли оголосили про перше в історії виявлення гравітаційних хвиль. Підтримка Національного наукового фонду (NSF) та керована Caltech та MIT, LIGO присвячена вивченню хвиль, передбачених теорією загальної відносності Ейнштейна і спричинених злиттями чорних дір.
Згідно з новим дослідженням групи астрономів з Центру космології Каліфорнійського університету Ірвайн, такі злиття набагато частіше, ніж ми думали. Провівши опитування космосу, призначеного для обчислення та класифікації чорних дір, команда UCI визначила, що в галактиці може бути аж 100 мільйонів чорних дір, знахідка яких має значні наслідки для вивчення гравітаційних хвиль.
Дослідження, в якому детально описуються їх результати, під назвою "Підрахунок чорних дірок: Космічне зоряне залишок та наслідки для ЛІГО", нещодавно з'явилося в Щомісячні повідомлення Королівського астрономічного товариства. Команда під керівництвом Олівера Д. Ельберта, студента-докторанта кафедри фізики та астрономії в УК Ірвайн, провела аналіз гравітаційних хвильових сигналів, які були виявлені LIGO.
Їх дослідження розпочалося приблизно півтора року тому, незабаром після того, як LIGO оголосив про перше виявлення гравітаційних хвиль. Ці хвилі були створені злиттям двох далеких чорних дір, кожна з яких була еквівалентна масою приблизно 30 Сонцям. Як пояснив у прес-релізі UCI Джеймс Баллок, професор фізики та астрономії в УК Ірвайн та співавтор цього документу:
«По суті, виявлення гравітаційних хвиль було величезною справою, оскільки це було підтвердженням ключового прогнозу загальної теорії відносності Ейнштейна. Але потім ми придивились уважніше до астрофізики фактичного результату, злиття двох чорних дір із 30 сонячною масою. Це було просто вражаюче, і ми задавали нам запитання: "Наскільки поширені чорні діри такого розміру і як часто вони зливаються?"
Традиційно астрономи дотримуються думки, що чорні діри зазвичай будуть приблизно такою ж масою, як і наше Сонце. Як такий, вони намагалися інтерпретувати багатогранічні виявлення хвиль, зроблені LIGO, з точки зору того, що відомо про утворення галактик. Крім цього, вони також прагнули створити рамку для прогнозування майбутніх злиттів чорних дір.
З цього вони дійшли висновку, що в Галактиці Чумацького Шляху буде розміщуватися до 100 мільйонів чорних дір, 10 мільйонів з яких мали б приблизну масу приблизно 30 сонячних мас - тобто подібні до тих, що злилися і створили перші гравітаційні хвилі, виявлені LIGO в 2016 році. Тим часом, карликові галактики - як гномик Драко, який обертається на відстані приблизно 250 000 літ від центру нашої галактики - розміщують близько 100 чорних дір.
Вони також визначили, що сьогодні більшість чорних дір низької маси (~ 10 сонячних мас) мешкають у галактиках 1 трильйон сонячних мас (масивних галактик), тоді як масивні чорні діри (~ 50 сонячних мас) мешкають у галактиках, що мають близько 10 мільярдів сонячних мас (тобто карликові галактики). Розглянувши зв’язок між масою галактики та зоряною металевістю, вони інтерпретували кількість чорних дір галактики як функцію її зоряної маси.
Крім того, вони також прагнули визначити, як часто чорні діри трапляються в парах, як часто вони зливаються і скільки часу це займе. Їх аналіз показав, що лише невелика частка чорних дір повинна бути задіяна у злиттях, щоб пристосувати те, що LIGO спостерігав. Він також запропонував прогнози, які показали, як ще більші чорні діри можуть зливатися протягом наступного десятиліття.
Як пояснив Маной Каплінгхат, також професор фізики та астрономії та другий співавтор дослідження, пояснив:
«Ми показуємо, що лише 0,1-1 відсотків утворених чорних дір повинні зливатися, щоб пояснити те, що бачив LIGO. Звичайно, чорні діри повинні бути досить близькими, щоб злитися в розумний час, що є відкритою проблемою… Якщо сучасні уявлення про зоряну еволюцію вірні, то наші розрахунки вказують на те, що злиття навіть чорних дір із сонячною масою 50 виявляться через кілька років ».
Іншими словами, наша галактика могла бути чорною дірою, і злиття можуть відбуватися на регулярній основі (стосовно космологічних часових шкал). Таким чином, ми можемо очікувати, що в найближчі роки можливе набагато більше виявлення гравітаційних хвиль. Це не повинно стати несподіванкою, коли LIGO зробив два додаткові виявлення з зими 2016 року.
Очікуючи, що прийде багато інших, астрономи матимуть багато можливостей вивчити злиття чорних дір, не кажучи вже про фізику, яка керує ними!
