Новое исследование, сделанное по мотивам последних открытий, связанных с гравитационными волнами, проливает свет на условия, в которых могут происходить слияния чёрных дыр. Работа представлена на этой неделе на Национальном астрономическом собрании 2023 года докторантом Оксфордского университета Коннаром Роуэном.
Первые гравитационные волны, первоначально предсказанные Альбертом Эйнштейном в 1916 году, были обнаружены с Земли в 2015 году. Однако вопрос об их происхождении в космосе до сих пор остаётся открытым. Гравитационные волны, которые мы наблюдаем, могут исходить только от пар крупных, очень плотных объектов, находящихся в непосредственной близости друг от друга, таких как двойные чёрные дыры или нейтронные звезды. В настоящее время обнаружено более 90 таких объектов, хотя основные астрофизические условия, позволяющие этим объектам сблизиться настолько, чтобы излучать гравитационные волны, остаются загадкой.
Одна из возможных сред, где чёрные дыры могут часто сливаться, находится в окружении квазаров. Квазар — это мощное активное галактическое ядро, питаемое сверхмассивной чёрной дырой. Плотный газопылевой диск вращается вокруг сверхмассивной чёрной дыры со скоростью, близкой к скорости света, что приводит к чрезвычайно мощному излучению.
Взаимодействие чёрных дыр звёздной массы с газовым диском сверхмассивной чёрной дыры очень непростое и требует сложного компьютерного моделирования для понимания. В новом исследовании группа астрономов из Оксфордского университета и Колумбийского университета изучила поведение таких поглощённых диском чёрных дыр звёздной массы. Работа предполагает, что чёрные дыры со звёздной массой могут быть затянуты в плотные газовые диски квазаров и вынуждены образовывать бинарные системы в результате гравитационного взаимодействия друг с другом и газом в дисках.
Команда провела моделирование газообразного диска квазара, содержащего две чёрные дыры звёздной массы, с высоким разрешением. Цель моделирования — выяснить, захвачены ли чёрные дыры в гравитационно связанную бинарную систему и, возможно, сольются ли они позднее в газовом диске. Для имитации сложных газовых потоков во время столкновения в этих симуляциях используется 25 миллионов частиц газа, что требует вычислительного времени около трёх месяцев для каждой симуляции.
Иллюстрация механизма образования бинарных чёрных дыр. Две изолированные чёрные дыры, вращающиеся вокруг сверхмассивной чёрной дыры, сталкиваются друг с другом внутри большого газового диска вокруг сверхмассивной чёрной дыры. Гравитационное взаимодействие с газом отнимает энергию у двух чёрных дыр, позволяя им оставаться связанными
Моделирование показывает, что газ снижает скорость чёрных дыр во время встречи, поэтому чёрные дыры, которые в обычных условиях просто разлетелись бы в разные стороны, остаются гравитационно связанными, запертыми на орбите друг вокруг друга, в то время как они обе, в свою очередь, вращаются вокруг сверхмассивной чёрной дыры. Это происходит за счёт гравитационного притяжения между ними и массивными потоками газа в диске и отдельных "мини" дисках вокруг отдельных чёрных дыр.
Кроме того, играет роль и прямое газовое сопротивление, аналогичное сопротивлению воздуха, когда газ, «съедаемый» чёрными дырами на своём пути, заставляет их замедляться. В ответ на поглощение кинетической энергии чёрной дыры в результате гравитационного взаимодействия газ с силой выбрасывается сразу после встречи. Этот результат имеет место в большинстве симуляций и подтверждает предыдущие ожидания, что газ значительно облегчает захват чёрных дыр в связанные пары.
Также было обнаружено, что направление орбиты чёрных дыр влияет на их эволюцию. В половине ретроградных бинарных систем — бинарных систем, в которых чёрные дыры вращаются по орбитам, противоположным их орбитам вокруг сверхмассивной чёрной дыры, — чёрные дыры могли сблизиться настолько, чтобы породить значительные гравитационные волны и очень быстро рассеять свою орбитальную энергию через эти волновые излучения, резко слившись.
Руководитель исследования Роуэн говорит: «Эти моделирования позволяют ответить на два основных вопроса: может ли газ катализировать образование бинарных чёрных дыр, и если да, то могут ли они в конечном итоге сблизиться и слиться? Чтобы этот процесс объяснил происхождение наблюдаемых сигналов гравитационных волн, оба ответа должны быть положительными».
«Эти результаты невероятно интересны, поскольку они подтверждают, что слияния чёрных дыр в дисках сверхмассивных чёрных дыр могут происходить, и, возможно, объясняют многие или, возможно, большинство сигналов гравитационных волн, которые мы наблюдаем сегодня», — сказал профессор Бенс Кочис, соавтор исследовательской работы.
«Если значительная часть наблюдаемых событий, сегодня или в будущем, будет вызвана этим явлением, мы сможем увидеть прямую связь между квазарами и источниками гравитационных волн в небе», — добавляет профессор Золтан Хайман из Колумбийского университета, ещё один соавтор исследовательской работы.
