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.

Учёные раскрыли загадку «лучей смерти» — испускаемых чёрными дырами струй высокоэнергетических частиц

С момента случайного обнаружения гамма-всплесков (джетов) в 1967 году американским военным спутником Vela учёные не прекращали гадать о природе подобных явлений. Позже выяснилось, что источником высокоэнергетических всплесков являются, в частности, чёрные дыры. Но однозначной трактовки события не было до недавнего времени, когда группа астрофизиков сообщила о фактах, подтверждающих одну из нескольких моделей ускорения джетов. Строго говоря, наибольшее распространение получили две теории ускорения джетов — видимых с Земли ярчайших вспышек во всех наблюдаемых диапазонах электромагнитных волн от рентгеновского до видимого и инфракрасного, а также в радиодиапазоне. Если бы такая вспышка возникла в нашей галактике и была направлена в нашу сторону, жизнь на Земле задуло бы как свечу во время урагана. К счастью, в галактиках они возникают крайне редко, и должно быть соблюдено непременное условие — энергетическая струя должна быть направлена на нас (собственно, в других случаях джеты банально не регистрируются). Согласно одной теории, ускорение джетов происходит в процессе изменений в магнитных полях — что-то похожее на электромагнитную линзу, которая придаёт высокоэнергетическим частицам дополнительное ускорение. Другая теория трактует ускорение частиц до околосветовых скоростей в процессе взаимодействия вещества в струе с окружающим чёрную дыру веществом. Это как с мойкой высокого давления, когда узкое сопло придаёт струе дополнительное ускорение. Выброшенные с полюсов чёрной дыры энергичные частицы сталкиваются с веществом или друг с другом, что придаёт им дополнительную энергию и ускоряет ещё сильнее.

Отметим, процесс возникновения струй (джетов) — это отдельный вопрос. Свою энергию джеты черпают из аккреционного диска — падающего на чёрную дыру вещества из окружающего пространства. Новое исследование касалось лишь вопроса ускорения частиц в струе до регистрируемых запредельных величин энергии. Загадку помог решить новый рентгеновский телескоп NASA IXPE, выведенный на орбиту 9 декабря 2021 года. Это первый в космосе инструмент, который способен измерять поляризацию рентгеновского излучения. Данные о поляризации дают возможность понять как и в каком направлении распространяются электромагнитные волны, что позволяет уточнять математические модели космических явлений.

С помощью телескопа IXPE астрофизики изучили рентгеновскую составляющую джета блазара Markarian 501 (галактика Маркарян 501 в созвездии Геркулеса). Этот объект — чёрная дыра в центре галактики — находится от нас на удалении 450 млн световых лет и ориентирован выбросом джета на Землю. Ранее поляризацию джета Маркарян 501 астрономы измерили для оптического диапазона и радиодиапазона.

Когда были добавлены новые данные о поляризации рентгеновского диапазона, выяснилось, что сильнее всего поляризация выражена именно в этом диапазоне, и она убывает по мере перехода к оптическому и радиодиапазону. Тем самым учёные обнаружили область, в которой происходит ускорение частиц струи — то самое «сопло», которое придаёт джету дополнительное ускорение.

Как показало моделирование, энергией для ускорения служит энергия ударной волны джета. Частицы струи начинают двигаться быстрее частиц окружающего вещества — подобное явление мы наблюдаем при преодолении сверхзвуковым самолётом звукового барьера — и образованная в процессе ударная волна придаёт частицам дополнительное ускорение и повышенную яркость во всех регистрируемых диапазонах.

«Это 40-летняя загадка, которую мы разгадали, — сказал Яннис Лиодакис (Yannis Liodakis), ведущий автор исследования и астроном из FINCA, Финского центра астрономии при ESO. — Наконец-то у нас есть все кусочки головоломки, и картина, которую они создают, ясна».

Это противоречит всем теориям: столкновение звезд создало объект, который не может существовать

Один гамма-всплеск, который был выпущен после столкновения нейтронных звезд, снова изменил представление ученых о том, как устроена Вселенная. Ученые изучили поток кратковременного излучения, называемый гамма-всплеском, который исходит при столкновении двух нейтронных звезд и обнаружили нечто невероятное. Оказалось, что вместо того, чтобы появилась черная дыра, как предполагают теории, появился массивный магнетар – нейтронная звезда с очень сильным магнитным полем. Но этот магнетар намного тяжелее, чем предельная масса для нейтронных звезд, то есть он просто не может существовать. И все же он находился в космосе, хоть и не долго, прежде чем превратится в черную дыру, пишет ScienceAlert. Астрономы наблюдали событие, которое противоречит всем существующим теориям. В результате столкновения двух нейтронных звезд появилась сверхмассивная нейтронная звезда с очень сильным магнитным полем. Но считается, что такое столкновение должно привести к мгновенному сжатию появившегося объекта в черную дыру под действием гравитации. Но магнетар существовал более суток, прежде чем полностью исчезнуть. По словам ученых из Университета Бата, Великобритания, такая сверхмассивная нейтронная звезда просто не может существовать так долго в космосе. Почему такое произошло остается загадкой.

Ученые изучили поток кратковременного излучения, называемый гамма-всплеском, который исходит при столкновении двух нейтронных звезд и обнаружили нечто невероятное. Оказалось, что вместо того, чтобы появилась черная дыра, как предполагают теории, появился массивный магнетар – нейтронная звезда с очень сильным магнитным полем

Нейтронные звезды представляют собой самые маленькие и самые плотные звезды во Вселенной. Они появляются в конце жизненного цикла многих звезд и представляют собой сферу диаметром примерно 20 км. Они настолько плотные, что, например, чайная ложка вещества здесь будет весить 1 млрд тонн.

Согласно теории, существует максимальный предел массы для нейтронных звезд, превышая который они превращаются в черные дыры. Такое событие, например, происходит во время их столкновения, когда две нейтронные звезды сливаются вместе на короткое мгновение, появляется очень массивная нейтронная звезда. Но она сразу же исчезает в черной дыре.

Хотя ученые спорят по поводу того, вызывает ли слияние нейтронных звезд мгновенное появление черных дыр, или все же на какие-то миллисекунды сначала появляется массивный объект, который затем превращается в черную дыру.

В рамках этого исследования ученые изучили короткий гамма-всплеск под названием GRB 180618A, который пришел к нам из галактики на расстоянии в 10,6 млрд световых лет. Эти потоки излучения исходят как раз от процесса слияния нейтронных звезд, в частности от процесса появления черной дыры. Но данные показали, что это излучение исходит все-таки от магнетара – нейтронной звезды с магнитным полем, сила которого превышает в 1000 раз силу магнитного поля обычной нейтронной звезды и в квадриллион раз больше, чем у Земли. И этот магнетар существовал в космосе невозможные 28 часов.

По словам ученых, они впервые в истории стали свидетелями такого события в космосе. Почему нейтронная звезда, которая должна была сразу же превратиться в черную дыру прожила больше суток, остается загадкой. Астрономы предполагают, что причина может скрываться в очень быстром вращении звезды и сильнейшем магнитном поле, что в совокупности на некоторое время предотвратило ее исчезновение.

Новое исследование показывает, что не всегда короткий гамма-всплеск является свидетельством появления черной дыры. Это излучение может выпускать и очень массивная нейтронная звезда, которая пусть и не долго, но все же может появиться в результате слияния двух меньших нейтронных звезд.

Астрономы обнаружили в центре карликовой галактики чёрную дыру в тот момент, когда она разорвала и поглотила звезду

Не обнаруженную ранее черную дыру заметили астрономы в другой галактике с помощью с помощью проекта Young Supernova Experiment (YSE), предназначенного для обнаружения космических взрывов и переходных астрофизических явлений. О существовании черной дыры узнали, когда она разорвала и поглотила звезду, подошедшую слишком близко. Это событие называется эпизодом приливного разрушения (TDE). В результате TDE произошла вспышка излучения такой мощности, что на время затмила все звезды в своей карликовой галактике DSS J152120.07+140410.5. Галактика находится на расстоянии 850 млн световых лет от Земли. Черная дыра, которая получила название AT 2020neh, имеет среднюю массу, поэтому обнаружить ее было бы непросто. «Это открытие вызвало всеобщее волнение, потому что мы можем использовать события приливных разрушений не только для обнаружения большего количества черных дыр промежуточной массы в тихих карликовых галактиках, но и для измерения их масс», — отметил соавтор работы Райан Фоули, доцент Калифорнийского университета в Санта-Круз. Сверхмассивные черные дыры находятся в центрах всех массивных галактик, не исключая Млечный Путь. Их масса, считают астрономы, в миллионы или миллиарды раз превышает массу Солнца.

 По одной из теорий, в ранней Вселенной было множество карликовых галактик с небольшими черными дырами. Позже галактики объединялись, и вместе с ними сливались и черные дыры, становясь сверхмассивными.

Результаты исследования опубликованы в Nature Astronomy.