Почему черные дыры сталкиваются чаще, чем ожидалось

Москва, 21:08, 15 Авг 2019, редакция FTimes.ru, автор Сергей Кузнецов.

Спиральный танец пары сталкивающихся черных дыр должен длиться миллиарды лет. Тем не менее, с 2016 года астрономы обнаружили около 10 столкновений черных дыр — гораздо больше, чем мы ожидали. Должен быть запущен некоторый процесс, чтобы черные дыры сталкивались быстрее, чем ожидалось.

Проблема начинается раньше, чем черные дыры образуются. Черные дыры – это, по сути, мертвые реликвии массивных звезд. По мере старения этих прародительских звезд они проходят фазу, когда они расширяются в сверхгигантские звезды, в несколько раз превышающие их первоначальный размер. В этот момент, если две звезды вращаются близко друг к другу, одна будет притянута к другой, и пара столкнется прежде, чем стать черными дырами.

Это говорит о том, что любая пара больших черных дыр должна начать свое существование очень далеко друг от друга — настолько далеко друг от друга, что столкновения будут крайне редкими. И все же такие столкновения довольно распространены.

«Нам, теоретикам, нам действительно нравится, когда появляется новая головоломка», — сказал Смадар Наоз, теоретик-астрофизик из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. «Все прыгают с новыми идеями».

Итак, как вы можете получить сплоченные пары черных дыр, которые никогда не были сплоченными парами супергигантов-звезд? Одно из возможных объяснений гласит, что две массивные звезды могут появиться далеко друг от друга и становиться ближе, когда они коллапсируют в черные дыры. Или, может быть, некоторые звезды коллапсируют, никогда не взорвавшись в сверхгигантские звезды, или одиночные черные дыры встречаются друг с другом и образуют пары?

В последние несколько лет появилась другая идея. При правильных условиях третий объект может инициировать процесс, который сближает пару объектов. Этот эффект трех тел дает возможность далеким друг от друга массивным звездам сначала коллапсировать в черные дыры, а затем приблизиться достаточно близко, чтобы столкнуться. И поскольку массивные звезды часто находятся в тройных системах, исследователи говорят, что важно учитывать этот эффект трех тел.

Чтобы понять, как этот процесс может работать, представьте, что Земля и Луна вращаются вокруг друг друга. Эти два тела будут двигаться по устойчивым орбитам вокруг их общего центра масс почти бесконечно — если что-то не мешает.

Третий объект не обязательно повлияет на стабильность системы Земля-Луна, пока эти три объекта вращаются в одной плоскости (как и большинство других объектов в Солнечной системе).

Тем не менее, объекты в космосе, как правило, не ограничены одной плоской поверхностью. Представьте себе третий объект, вращающийся вокруг системы Земля-Луна под углом, чтобы орбиты не были выровнены. Если угол между орбитами достаточно велик, гравитационные эффекты от третьего объекта могут влиять на орбиты Земли и Луны. Их пути простираются в длинные эллипсы, которые разводят объекты намного дальше друг от друга, прежде чем направлять их гораздо ближе друг к другу. Когда они находятся ближе всего, могут появиться другие эффекты, которые еще больше сокращают их орбиты. В конце концов, Земля и Луна могут врезаться друг в друга, что приведет к катастрофическим последствиям для обоих.

Инфографика под названием «Как третье тело может помочь столкнуться двум объектам». Текст ниже: 1. В космосе третье тело может вращаться вокруг пары совместно вращающихся объектов. 2. Третье тело может подталкивать внутренние орбиты, заставляя их растягиваться. 3. Внутренние орбиты сжимаются в меньшие, более круглые орбиты. 4. С этого момента не требуется много времени, чтобы объекты сталкивались или сливались.

В мире черных дыр этот процесс, состоящий из трех тел, или «канала», имеет несколько разновидностей. Третьим объектом может быть черная дыра звездной массы или массивная звезда, которая еще не коллапсировала. Это может быть даже одна из сверхмассивных черных дыр, найденных в центрах большинства галактик. В этом случае две массивные звезды в центре галактики коллапсируют, превращаясь в черные дыры. Эта пара меньших черных дыр и сверхмассивная черная дыра образуют систему из трех тел. Сверхмассивная черная дыра может даже вызвать специальные эффекты общей теории относительности, которые повышают вероятность слияния пары более мелких черных дыр, сообщают исследователи в статье, опубликованной на научном препринте arxiv.org в июне.

«Прелесть этого канала в том, что в слиянии черных дыр очень мало неопределенностей», — сказал Фабио Антонини, астрофизик из Университета Суррея, опубликовавший несколько статей об этой идее. «Это просто гравитация, это просто динамика».

Но, как и в случае с любым другим предложенным каналом формирования для слияния черных дыр, в тройном процессе есть фрагменты, которые исследователям ещё предстоит выяснить. Например, неясно, как часто орбиты в трехзвездных системах будут наклоняться под углом, чтобы вызвать эффект.

Одним из главных преимуществ этой идеи является то, что она может быть проверена. Черные дыры, которые сливаются через тройной процесс, должны иметь орбиты, которые являются менее круглыми или более эксцентричными, чем орбиты черных дыр, которые сливаются с нарушенной бинарной системой.

«Ученые могут измерить эксцентриситеты орбит черных дыр в ближайшем будущем», — сказал Даниэль Хольц, астрофизик из Чикагского университета и сотрудник коллаборации LIGO, которая ищет гравитационные волны, возникающие при столкновениях с черными дырами.

«Часть того, что делает это захватывающим, это то, что вы можете получить системы, например, с высоким эксцентриситетом», — сказал Хольц,

Вращение черных дыр может также сказать ученым, произошло ли слияние черных дыр из-за тройного системного процесса. Если двойная система черной дыры сформировалась в результате эволюции двух звезд без влияния других тел, они должны вращаться и вращаться более или менее в одном и том же направлении. Но согласно работе астрофизиков, таких как Донг Лай и Бин Лю из Корнелльского университета, помехи от других объектов, таких как третье тело в тройной системе, могут наклонять орбиты черных дыр, так что их орбитальные оси и оси вращения находятся под углом друг другу. Эффект трудно измерить непосредственно с помощью современных технологий, но исследователи надеются найти новые умные способы вывести эти выравнивания вращения.

Таким образом, пока еще слишком рано говорить о том, каким образом черные дыры оказываются достаточно близко для слияния. Исследователи рассматривают эту проблему как пример того, почему обнаружение гравитационных волн так важно.

«Вы не хотите просто проводить наблюдения гравитационных волн сами по себе», — сказал Илья Мандель, астрофизик из Университета Монаш в Австралии. «Вы хотите использовать их в качестве зондов для изучения вещей, которые иначе трудно понять и измерить непосредственно».