Ученые нашли подсказки к происхождению двойных черных дыр

Новое исследование показало, что на данный момент каталог известных двойных черных дыр не раскрывает ничего фундаментального о том, как образуются черные дыры. Ученые считают, что подсказки к появлению черной дыры можно найти в том, как она вращается. Это особенно верно для двойных систем, в которых две черные дыры вращаются близко друг к другу перед слиянием. Вращение и наклон соответствующих черных дыр непосредственно перед их слиянием может показать, возникли ли невидимые гиганты из тихого галактического диска или из более динамичного скопления звезд. В исследовании, опубликованном в журнале Astronomy and Astrophysics, физики Массачусетского технологического института показывают, что когда все известные двойные системы и их спины перерабатываются в модели образования черных дыр, выводы могут выглядеть совершенно по-разному, в зависимости от конкретной модели, используемой для интерпретации данных. Таким образом, происхождение черной дыры можно «раскрутить» по-разному, в зависимости от предположений модели о том, как устроена Вселенная. «Когда вы меняете модель и делаете ее более гибкой или делаете другие предположения, вы получаете другой ответ о том, как черные дыры образовались во Вселенной. Мы показываем, что людям нужно быть осторожными, потому что наши данные еще не на том этапе, когда мы можем верить тому, что говорит нам модель», — сказал соавтор исследования Сильвия Бисковяну, аспирант Массачусетского технологического института, работающий в лаборатории LIGO.

В своем новом исследовании команда Массачусетского технологического института проверила, приведут ли одни и те же данные к одним и тем же выводам при обработке немного разных теоретических моделей образования черных дыр.

Команда впервые воспроизвела измерения вращения LIGO в широко используемой модели формирования черной дыры. Эта модель предполагает, что часть двойных систем во Вселенной предпочитает создавать черные дыры с выровненными спинами, в то время как остальные двойные системы имеют случайные спины. Они обнаружили, что данные, по-видимому, согласуются с предположениями этой модели и показали пик, где модель предсказывала, что должно быть больше черных дыр с аналогичными спинами.

Затем они немного подкорректировали модель, изменив ее предположения таким образом, что она предсказывала несколько иную ориентацию предпочтительных спинов черных дыр. Когда они обработали те же данные в этой измененной модели, они обнаружили, что данные сдвинуты, чтобы соответствовать новым прогнозам. Данные также произвели аналогичные сдвиги в 10 других моделях, каждая из которых исходила из разных предположений о том, как черные дыры предпочитают вращаться.

По словам ученых, результат полностью зависит от того, как моделируется астрофизика, а не от самих данных. Они добавили, что им нужно больше данных, чем они думали, если хотят сделать заявление, которое не зависит от сделанных ими астрофизических предположений.

По оценкам ученых, как только сеть LIGO снова заработает в начале 2023 года, инструменты будут обнаруживать одну новую двойную черную дыру каждые несколько дней. В течение следующего года к данным можно добавить еще сотни измерений.

Ученые исследуют столкновения черных дыр

С 2015 года коллаборация LIGO-Virgo-KAGRA обнаружила около 85 пар черных дыр, сталкивающихся друг с другом. Известно, что эти космические катастрофы происходят часто: по мере повышения чувствительности детектора ученые ожидают, что в следующем цикле наблюдений, начиная с 2023 года, они будут получать данные об этих событиях почти ежедневно. Однако ученые пока не знают, что вызывает эти столкновения. Один из способов заставить черные дыры слиться – это столкнуть их в густонаселенных средах, таких как центры звездных скоплений. В звездных скоплениях черные дыры, которые находятся очень далеко друг от друга, могут сблизиться в результате двух факторов – массовой сегрегации и динамических взаимодействий. Массовая сегрегация приводит к тому, что самые массивные объекты опускаются к середине гравитационной потенциальной ямы. Это означает, что любые черные дыры, рассеянные по всему скоплению, должны оказаться в середине, образуя невидимое «темное ядро». Динамические взаимодействия являются вторым механизмом, влияющим на сближение черных дыр. Если две черные дыры объединяются в скопление, на их взаимодействие может влиять гравитационное воздействие близлежащих объектов. Это воздействие может сблизить двойную систему. Массовая сегрегация и динамические взаимодействия, которые могут происходить в звездных скоплениях, накладывают свой отпечаток на свойства сливающихся двойных систем. Одним из ключевых свойств является форма орбиты двойной системы непосредственно перед ее слиянием. Поскольку слияния в звездных скоплениях могут происходить очень быстро, формы орбит могут быть довольно вытянутыми, похожими на сплющенный эллипс.

Команда исследователей и выпускников OzGrav работает вместе над изучением орбит двойных черных дыр. Группа, возглавляемая доктором Изобель Ромеро-Шоу, вместе с профессорами Полом Ласки и Эриком Трейном из Университета Монаша, обнаружила, что некоторые двойные системы, наблюдаемые LIGO-Virgo-KAGRA, действительно имеют вытянутые орбиты, указывающие на то, что они, возможно, столкнулись в густонаселенном звездном скоплении.