|
Черные дыры вращаются по яйцеобразным орбитам
|
|
|
|
Сегодня (10 мая) завершается неделя черных дыр, и нет лучшего способа отметить это событие, чем рассказать о "яйцеобразно-экстраординарной" науке о черных дырах. Используя измерения гравитационных волн с помощью лазерного интерферометра Gravitational-Wave Observatory (LIGO), базирующегося в США, и детекторов Virgo и KAGRA, расположенных в Италии и Японии, соответственно, ученые обнаружили, что орбиты некоторых двойных черных дыр могут иметь яйцевидную форму и демонстрировать любопытное колебание. Это исследование - нечто большее, чем простое любопытство (и "отличный повод" для того, чтобы разгадать несколько неудачных каламбуров, связанных с яйцами). Открытие орбит овальной формы в системах двойных черных дыр может помочь исследователям определить, как образовалась каждая из этих систем. "Мы обнаружили, что большинство двойных черных дыр, как ожидается, будут находиться на так называемых "квазикруговых" орбитах. "Квази" просто означает, что расстояние между черными дырами со временем уменьшается из-за излучения гравитационных волн", - сказал ведущий автор исследования Нихар Гупте из Института гравитационной физики Макса Планка в Германии и Университета Мэриленда. Space.com.
|
|
|
|
"Наше исследование показывает, что некоторые из наблюдаемых двойных черных дыр могут находиться на "эксцентричных" орбитах", - добавил Гупте. "Это означает, что орбиты черных дыр имеют овальную или "яйцевидную" форму". По словам исследователя, команда также обнаружила, что вершина этой яйцевидной овальной орбиты может вращаться по мере того, как черные дыры обращаются друг вокруг друга. "Мы также обнаружили, что если вы проанализируете эти события, используя неэкцентрическую модель, вы
переоцениваете массы черных дыр", - добавил Гупте. Гупте и его коллеги исследовали 57 пар двойных черных дыр, обнаруженных с помощью гравитационных волн коллаборацией LIGO-Virgo-KAGRA. Гравитационные волны - это рябь в пространстве-времени, впервые предсказанная Альбертом Эйнштейном в его знаменитой общей теории относительности 1915 года. Общая теория относительности предполагает, что объекты, обладающие массой, создают искривление в самой структуре пространства и времени, объединенной в четырехмерную структуру, называемую "пространство-время". Гравитация возникает из-за этого искривления, которое становится все более экстремальным по мере увеличения массы объектов. Вот почему звезды оказывают большее гравитационное влияние, чем планеты, а галактики оказывают большее гравитационное влияние, чем звезды.
|
|
|
|
|
Эйнштейн также предсказал в своей революционной теории гравитации, что, когда объекты ускоряются, они посылают крошечные волны, распространяющиеся в пространстве-времени — гравитационные волны. Однако эти волны незначительны до тех пор, пока не будет достигнута область сверхплотных объектов, таких как нейтронные звезды и черные дыры. Когда двойные нейтронные звезды или черные дыры вращаются друг вокруг друга, они постоянно испускают гравитационные волны, которые уносят энергию из системы в виде углового момента. Потеря углового момента приводит к тому, что орбиты этих тел сужаются, сближая их до тех пор, пока их гравитационное влияние не возьмет верх. В конце концов, они сталкиваются и сливаются, испуская последний пронзительный визг гравитационных волн. Эйнштейн полагал, что даже эти гравитационные волны будут слишком слабыми, чтобы их можно было обнаружить на Земле. К счастью, в сентябре 2015 года LIGO доказал, что великий ученый ошибался, обнаружив GW150914, гравитационно-волновой сигнал от слияния двух черных дыр на расстоянии более 1 миллиарда световых лет. Поскольку количество обнаруженных гравитационных волн продолжает увеличиваться, ученые, такие как Гупта, учатся использовать их для выявления деталей об объектах, которые их создают, как показывает это новое исследование.
|
|
|
|
Гупта объяснил, что использование гравитационных волн для понимания орбит двойных черных дыр сродни тому, как палеонтологи изучают кости, чтобы реконструировать, как, возможно, жили динозавры. Таким образом, физики могут изучать свойства сливающихся двойных черных дыр, чтобы понять, как вообще образуются двойные черные дыры. Это может происходить двумя различными способами. Динамические взаимодействия возникают, когда двойная черная дыра сталкивается и взаимодействует с другой черной дырой или даже с другой двойной системой черных дыр. С другой стороны, двойные звезды могут быть изолированы и образовываться проще из двух звезд, которые уже вращаются вокруг друг друга и становятся черными дырами, или из одной черной дыры, которая приближается слишком близко к другой и образует двойную звезду, прежде чем они столкнутся и сольются. "Ключевая идея заключается в том, что если мы наблюдаем двойную систему с эксцентриситетом, это, вероятно, происходит в результате динамического взаимодействия", - сказал Гупта. "Эти хаотические взаимодействия могут привести к разрыву двойной системы и выбросу составляющих ее черных дыр из галактик-хозяев и скоплений галактик. Но иногда они также могут сокращать расстояние между двумя черными дырами, вызывать эксцентриситет и приводить к их слиянию на короткие промежутки времени".
|
|
|
|
Помимо использования эксцентриситета орбит для описания истории двойных черных дыр, ученый и его команда также заинтересованы в рассмотрении того, как овальная природа орбит влияет на излучение гравитационных волн этими системами. "Когда у вас есть эксцентриситет, это означает, что в некоторых точках орбиты черные дыры расположены ближе друг к другу", - объяснил Гупта. "Когда черные дыры расположены ближе друг к другу, они имеют большее ускорение, что означает, что они излучают больше гравитационных волн. С другой стороны, если они находятся далеко, то их ускорение меньше, а значит, они излучают меньше гравитационных волн. "Таким образом, в конечном итоге вы видите небольшие всплески в амплитуде волны [общей картины гравитационных волн], которые возникают из-за того, что черные дыры движутся то ближе, то дальше друг от друга!" Природу и историю двойных черных дыр было бы невероятно трудно определить без использования гравитационных волн. Альтернативным методом понимания происхождения двойных черных дыр является поиск так называемых событий "общей оболочки" с помощью стандартной астрономии, основанной на изучении света.
|
|
|
|
Эти события начинаются с того, что звезда и черная дыра обращаются друг вокруг друга, и эта звезда превращается в красного гиганта. Внешние слои раздутой звезды создают общую оболочку вокруг обоих членов двойной системы, создавая трение между черной дырой и звездой. Это сокращает орбиту двойной звезды, и в конечном итоге, после того как красный гигант превратится в черную дыру, это приведет к слиянию двойной черной дыры. "Проблема в том, что наблюдать этот критический период с помощью электромагнитных наблюдений сложно. Это связано с тем, что массивные звезды редки и живут недолго, поэтому критические эволюционные фазы слияния компактных объектов занимают небольшую часть этих систем", - сказал Гупта. "С другой стороны, изучая гравитационные волны, мы можем понять заключительные моменты бинарного слияния. Это может позволить нам проследить историю слияния и выдвинуть гипотезу о том, что могло привести к его образованию". Он добавил, что гравитационные волны особенно полезны в этом отношении, поскольку они являются "чрезвычайно чистым зондированием" отдаленных событий.
|
|
|
|
Это относится к тому факту, что эти колебания в пространстве-времени могут проходить на огромные расстояния без помех со стороны того, что находится между двойной системой и Землей. "Хотя мы не утверждаем, что это окончательное обнаружение эксцентричных двойных черных дыр, эти результаты указывают на эксцентричность существующей популяции", - сказал Гупте. "Это важный фактор для текущего запуска наземных детекторов гравитационных волн, а также будущих наземных и космических детекторов гравитационных волн. "В настоящее время у нас недостаточно данных, чтобы окончательно определить происхождение двойных черных дыр. Однако, если в будущем мы будем наблюдать более эксцентричные двойные черные дыры, мы сможем начать накладывать ограничения на то, какие механизмы формируют эти системы".
|
|
|
|
Источник
|
