Нове дослідження після відкриття гравітаційних хвиль проливає світло на середовища, які можуть призвести до злиття чорних дір. Робота представлена цього тижня на Національній астрономічній зустрічі 2023 року доктором філософії. студент Оксфордського університету Коннар Роуен.
Перші гравітаційні хвилі, передбачені Альбертом Ейнштейном у 1916 році, були виявлені на Землі в 2015 році. Проте визначення їх походження в космосі залишалося відкритим питанням. Для виявлення на таких величезних відстанях гравітаційні хвилі, які ми спостерігаємо, можуть походити лише від пар великих об’єктів високої щільності, які знаходяться в безпосередній близькості один від одного, наприклад, чорних дір або подвійних нейтронних зірок. Наразі було виявлено понад 90 таких виявлень, хоча первинне астрофізичне середовище, яке дозволяє цим об’єктам наближатися достатньо близько, щоб випромінювати гравітаційні хвилі, залишається загадкою.
Одним із можливих середовищ, де чорні діри можуть часто зливатися, є квазари. Квазар — це потужне активне галактичне ядро, що живиться від надмасивної чорної діри. Щільний газовий диск обертається навколо надмасивної чорної діри зі швидкістю, близькою до світла, що призводить до надзвичайно яскравих випромінювань.
Взаємодія чорних дір зоряної маси з газовим диском надмасивної чорної діри дуже складна і потребує складного комп’ютерного моделювання для розуміння. У новому дослідженні команда астрономів з Оксфордського та Колумбійського університетів вивчила поведінку таких вбудованих у диск чорних дір зіркової маси. Робота припускає, що чорні діри зоряної маси можуть бути затягнені в щільні газові диски квазарів і змушені перейти в подвійні системи завдяки гравітаційній взаємодії одна з одною та газом у дисках.
Команда провела моделювання високої роздільної здатності газового диска квазара, що містить дві чорні діри зоряної маси. Мета моделювання полягає в тому, щоб побачити, чи потрапляють чорні діри в гравітаційно пов’язану подвійну систему і, можливо, зливаються пізніше в газовий диск. Ці симуляції використовують 25 мільйонів частинок газу для імітації складних газових потоків під час зіткнення, що вимагає обчислювального часу роботи близько трьох місяців для кожного моделювання.
Моделювання показує, що газ зменшує швидкість чорних дір під час зіткнення, тому чорні діри, які зазвичай просто розлітаються, залишаються гравітаційно зв’язаними, затриманими на орбіті одна навколо одної, тоді як вони обидві по черзі обертаються навколо надмасивної чорної діри. Це відбувається через поєднання гравітаційного перетягування між ними та масивними газовими потоками в диску та окремих «міні» дисках навколо окремих чорних дір.
Крім того, прямий опір газу, аналогічний опору повітря, також відіграє певну роль, коли газ, «з’їдений» чорними дірами на їх шляху, змушує їх сповільнюватися. У відповідь на поглинання кінетичної енергії чорної діри через гравітаційну взаємодію газ різко викидається одразу після зіткнення. Цей результат зустрічається в більшості симуляцій і підтверджує попередні очікування про те, що газ значно полегшує захоплення чорних дір у зв’язані пари.
Було також виявлено, що напрямок орбіти чорних дір впливав на те, як вони еволюціонували. У половині ретроградних подвійних систем — подвійних систем, де чорні діри обертаються одна проти одної в протилежному напрямку до своєї орбіти навколо надмасивної чорної діри — чорні діри можуть наблизитися достатньо близько, щоб створити значні гравітаційні хвилі та дуже швидко розсіювати свою орбітальну енергію через ці хвилі. викиди, зливаючись дуже різко.
Керівник дослідження Роуен каже: «Це моделювання стосується двох основних питань: чи може газ каталізувати подвійне утворення чорних дір, і якщо так, чи можуть вони зрештою стати ще ближчими та злитися? Щоб цей процес міг пояснити походження спостережуваних сигналів гравітаційних хвиль, обидві відповіді потребують бути так”.
«Ці результати неймовірно захоплюючі, оскільки вони підтверджують, що злиття чорних дір у надмасивні диски з чорними дірами можуть відбуватися, і, можливо, пояснюють багато або, можливо, більшість сигналів гравітаційних хвиль, які ми спостерігаємо сьогодні», — сказав професор Бенс Кочіш, співавтор наукової статті. .
«Якщо значна частина подій, які спостерігаються сьогодні чи в майбутньому, спричинена цим явищем, ми зможемо побачити прямий зв’язок між квазарами та джерелами гравітаційних хвиль у небі», — додає професор Золтан Гайман з Колумбійського університету. , інший співавтор наукової роботи.