Генеалогия черных дыр: новый способ обнаружения «предков» космических явлений
Изображение слияния черных дыр, которое вызвало гравитационную волну, известную как GW190521, данные о которой были использованы в этой статье. Автор: LIGO / Caltech / MIT / Р. Херт (IPAC).
Исследовательская группа предложила новый метод реконструкции «генеалогического древа» черных дыр. Опубликованное в Astrophysical Journal, это исследование предлагает способ сделать вывод о свойствах черных дыр-прародителей этих слияний, одного из самых жестоких событий, которые можно наблюдать во Вселенной.
В результате этих слияний генерируются гравитационные волны, своего рода «складки» в пространстве-времени, которые распространяются со скоростью света и которые в настоящее время можно обнаружить с помощью детекторов, разработанных международными организациями, такими как Virgo, Kagra или LIGO.
Анализируя гравитационные волны, можно получить информацию о сливающихся черных дырах, такую как их массы, направление вращения и другие сведения об их происхождении. В большинстве случаев черные дыры образуются из остатков массивных звезд, которые разрушились под действием собственной гравитации после того, как израсходовали свое ядерное топливо.
Однако, согласно астрофизическим теориям, существует своего рода вакуум, в котором черные дыры не могут образовываться непосредственно в результате коллапса звезды, и который известен как интервал массы парной нестабильности. Считается, что черные дыры, находящиеся в пределах этого интервала, образуются в результате иерархических слияний, то есть последовательных слияний меньших «родовых» черных дыр, каждая из которых образует все более массивную черную дыру. Таким образом, они образуют своего рода генеалогическое древо, в котором и намеревается разобраться данное исследование.
Хотя это объяснение кажется простым, сам процесс не является тривиальным. Чтобы черная дыра участвовала в последовательных слияниях, она должна оставаться привязанной к своему окружению, такому как галактика или плотное звездное скопление. Однако черные дыры, образующиеся в результате слияния, приобретают скорость отдачи, которая может достигать тысяч километров в секунду, и этого часто бывает достаточно, чтобы выбросить их из большинства сред обитания.
Например, в шаровых скоплениях, которые считаются ключевыми центрами слияния черных дыр, вторая космическая скорость составляет всего около 50 км/с. Хотя вращение и масса черных дыр могут быть измерены непосредственно по сигналам гравитационных волн, скорость отдачи зависит от свойств «предков» сливающихся черных дыр, которые невозможно наблюдать непосредственно.
"С помощью такого рода исследований мы можем не только угадать предков черных дыр, которые мы наблюдаем. Мы также можем предположить, в какой среде (если таковая вообще существовала) мог происходить этот процесс. Если никакая среда не является жизнеспособной и эти черные дыры не могут быть результатом предыдущих слияний, нам, возможно, придется переосмыслить эволюцию звезд или рассмотреть возможность того, что мы, возможно, вообще не наблюдаем черные дыры", - говорит проф. Хуан Кальдерон Бустильо, Рамон и Кахаль, научный сотрудник IGFAE, объединенного центра Университета Сантьяго-де-Компостела и Хунта-де-Галисия (Испания), и соавтор исследования.
Анализ загадочного сигнала GW190521
Команда применила этот метод к загадочному гравитационно-волновому сигналу GW190521, который связан с черной дырой, попадающей в зону запрещенной массы.
"Мы обнаружили, что, судя по свойствам, которые определенные группы обнаружили у этой черной дыры, маловероятно, что она образовалась в Шаровом скоплении из-за сильных толчков, которые, возможно, унаследовала эта черная дыра", - говорит Карлос Араужо, студент магистратуры Института астрофизики Канарских островов и бывший студент старших курсов Университета Канарских островов. Университет Сантьяго-де-Компостела.
"Действительно, среды с большими скоростями убегания, такие как активные ядра галактик или ядерные звездные скопления, кажутся более правдоподобными из-за их способности удерживать черные дыры с большими выбросами. Это согласуется с существующими исследованиями, предполагающими, что GW190521 произошел в Активном ядре Галактики", - говорит Генри Вонг, бывший студент CUHK, а ныне специалист по обработке данных в частном секторе.
"Мы обнаружили, что можем получить доступ к дате рождения черной дыры, поскольку она тесно связана с ее вращением. К сожалению, в настоящее время мы не можем измерить вращения с большой точностью, что является одним из ограничивающих факторов нашего исследования. Поскольку LIGO и Virgo продолжают повышать свою чувствительность, а новые детекторы третьего поколения выходят в сеть, наш метод позволит получить более детальное представление о генеалогии черных дыр, которые мы наблюдаем", - говорит Аня Лю, соавтор исследования и аспирантка CUHK.
Больше информации: Карлос Араухо-Альварес и др., "Возвращение времени вспять при слиянии черных дыр: массы предков, вращения, откаты при рождении и жизнеспособность иерархического образования GW190521", The Astrophysical Journal (2024). DOI: 10.3847/1538-4357/ad90a9
0 комментариев