Тема:

Гравитационные волны 12 часов назад

Чёрные дыры могут расти, многократно сливаясь друг с другом

Шаровые скопления - настоящие заводы по производству двойных чёрных дыр.
Иллюстрация Northwestern Visualization/Carl Rodriguez.

В шаровых скоплениях звёзд чёрные дыры могут сталкиваться и сливаться многократно, увеличиваясь таким образом в размерах. Такой результат следует из расчётов, опубликованных командой во главе с Карлом Родригесом (Carl Rodriguez) из Массачусетского технологического института. Проверить новую модель помогут будущие наблюдения гравитационных волн.

Как известно, гравитационные волны, зафиксированные земными детекторами уже шесть раз, были порождены слиянием чёрных дыр (в одном случае – нейтронных звёзд). Два таких объекта обращаются вокруг общего центра масс, образуя двойную систему. Постепенно они приближаются друг к другу, и наконец сталкиваются и сливаются. Раньше астрономы полагали, что для возникающей в итоге новой чёрной дыры история столкновений на этом заканчивается. Теперь выясняется, что это не так.

Конечно, у отдельно взятой чёрной дыры, плывущей по просторам космоса, нет практически никаких шансов столкнуться с "соплеменницей". Однако существуют места, просто изобилующие этими в общем довольно редкими объектами. Это, в частности, шаровые скопления звёзд.

Об этих шарах, состоящих из сотен тысяч и даже миллионов звёзд, "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) уже рассказывали. Они есть в большинстве галактик. В Млечном Пути их около двухсот (причём ближайшее находится в 7 тысячах световых лет от Земли), а в больших эллиптических галактиках шаровых скоплений могут быть и сотни тысяч.

Светила в этих шарах очень древние, и самые большие из них уже успели взорваться как сверхновые и превратиться в чёрные дыры.

"Мы считаем, что эти кластеры образовались с сотнями или тысячами чёрных дыр, которые быстро опустились в центр [скопления], – объясняет Родригес. – Эти скопления — это, по сути, заводы для [изготовления] чёрных дыр, где у вас так много чёрных дыр, которые сосредоточены в небольшой области пространства, что две чёрные дыры могут слиться и создать более массивную чёрную дыру. Тогда эта новая чёрная дыра может найти другого спутника и снова слиться".

К выводу о многократных слияниях авторов привело моделирование на суперкомпьютере. Исследователи варьировали радиус скопления, металличность звёзд и число светил (от 200 тысяч до двух миллионов). Также они учитывали эволюцию звёзд, в конечном счёте приводящую к образованию чёрных дыр.

 

Разумеется, это не первое моделирование процессов в шаровом скоплении. Однако предшественники Родригеса и его коллег использовали старую добрую ньютоновскую теорию гравитации и поэтому не учли несколько важных моментов.

Может показаться странным, что через сто лет после создания общей теории относительности кто-то ещё пользуется формулами Ньютона, да ещё и при моделировании поведения чёрных дыр. На самом деле ничего странного тут нет.

Физики почти не шутят, когда говорят, что физика – наука о том, чем можно пренебречь. Самые продвинутые теории наиболее точны, но и наиболее сложны. Расчёты по ним могут оказаться неподъёмными даже для суперкомпьютера. В случае, когда более простая модель заведомо даст такой же в пределах допустимой погрешности результат, нет никакого смысла пользоваться сложной. В конце концов, мы же не учитываем шарообразность Земли, планируя велосипедную прогулку.

В том, чтобы заранее определить самую простую модель, которой хватит для решения конкретной задачи, и состоит одна из многих профессиональных обязанностей физика. Как правило, учёные с ней прекрасно справляются. Но, как выяснилось, не в этот раз.

"Ньютоновское" моделирование показывало, что чёрная дыра, образовавшаяся в результате слияния двух своих "сородичей", движется очень быстро, со скоростью до 5 тысяч километров в секунду. Из-за этого она попросту вылетает из шарового скопления, не успев образовать двойную систему ни с каким другим телом.

Однако, когда группа Родригеса смоделировала ситуацию с использованием теории Эйнштейна, учёные обнаружили, что по меньшей мере у 20% образовавшихся двойных систем чёрных дыр один или оба компонента – плод предыдущего слияния.

Важно, что эта модель поддаётся проверке. Некоторые из чёрных дыр второго поколения должны иметь массу от 50 до 130 солнечных, а такие объекты не могут образоваться так же, как обычные чёрные дыры (в результате взрыва сверхновой). Поэтому, если детекторы гравитационных волн засекут подобные тела, выводы Родригеса и команды можно будет считать подтвердившимися.

Напомним, что "Вести.Наука" ранее писали о том, как сверхмассивные чёрные дыры в центрах галактик подталкивают своих "соплеменниц" звёздной массы к слиянию, а также о том, как в шаровом скоплении обнаружили первую "спокойную" чёрную дыру.

Сегодня