Диски, шипи та хмари: погляд на зворотний бік чорної діри

Перше пряме виявлення гравітаційних хвиль у 2015 році відкрило нове вікно у Всесвіті, дозволивши, зокрема, спостерігати злиття пар масивних чорних дір. Ця молода область досліджень дуже швидко розвивалася, і на сьогодні спостерігаються десятки злиття чорних дір.

Поточні спостереження обмежуються останніми стадіями колапсу — часто протягом лише кількох секунд — коли випромінювані гравітаційні хвилі надзвичайно сильні. На щастя, ведеться кілька нових експериментів, які дозволять дослідникам спостерігати за парами чорних дір набагато довше, перш ніж відбудеться злиття, потенційно навіть роками.

Коли почнуть надходити ці набагато точніші вимірювання, дослідники хочуть бути готовими та здатними їх інтерпретувати. Піппа Коул, докторант у групі Джанфранко Бертоне та перший автор нової статті, опублікованої в Nature Astronomy, пояснює: «За допомогою поточних вимірювань ми можемо дізнатися кілька фактів про самі злиття чорних дір, але дуже мало про навколишнє середовище. у якому відбувається злиття. Це середовище саме по собі надзвичайно цікаве. Наприклад, воно може навчити нас про одну з інших поточних таємниць астрофізики: про темну матерію. Одного разу ми зможемо використовувати новий детектор, такий як LISA, щоб спостерігати злиття чорних дір для набагато довше, стає можливим робити значущі заяви про своє оточення».

Середовища чорних дір

Існує принаймні три різних типи цікавих середовищ, які можуть оточувати чорні діри. Найвідомішим є так званий акреційний диск — диск дуже гарячого газу, що обертається навколо чорної діри, подібний до тих, що нещодавно були зображені телескопом Event Horizon. Але є й інші можливості.

Чорна діра може бути оточена хмарою надлегких частинок, утворюючи структуру, яку астрономи назвали гравітаційним атомом. І, нарешті, може бути темна матерія, невловима форма матерії, яка, здається, пронизує космос у всіх масштабах, але фундаментальна природа якої залишається невідомою. Очікується, що він накопичуватиметься навколо чорних дір у міру їх формування та зростання в конфігурації високої щільності, які називаються спайками.

Коул стверджує: «Чудове те, що завдяки новим спостереженням стане можливим відрізнити всі три ситуації, а також відрізнити їх від випадку, коли задній двір чорної діри просто порожній, де дві чорні діри обертаються по спіралі. одна навколо одної у вакуумі. Нам вдалося розробити статистичні методи, які, враховуючи достатню кількість даних і досить велику різницю мас між двома чорними дірами, повинні мати можливість дуже чітко розрізняти всі чотири сценарії».

За словами Коула та його співробітників, майбутнє покоління експериментів зможе ідентифікувати гравітаційні хвилі, породжені злиттям чорних дір у присутності середовища, будь то акреційний диск, гравітаційний атом або спалах темної матерії. Це відкриває можливість пошуку нових надлегких частинок, а також кандидатів у темну матерію за допомогою гравітаційних хвиль .

Бертоне каже: «Це захоплюючі часи. Незабаром ми вступимо в нову еру фізики й астрономії. Так само як точна фізика елементарних частинок дозволяє нам шукати нову фізику в прискорювачах частинок на Землі, точна гравітаційно-хвильова астрономія незабаром дозволить нам шукати темна матерія і нові частинки у Всесвіті».