Дослідники гравітаційних хвиль з Бірмінгемського університету розробили нову модель, яка може допомогти астрономам відстежити походження масивних чорних дір у Всесвіті.
Чорні діри утворюються внаслідок колапсу зір і, можливо, вибухів наднових. Масу цих надзвичайно щільних об’єктів часто вказують у масах Сонця (M⊙). Зазвичай із зір утворюються лише чорні діри масою до 45 М⊙. Потім вони об’єднуються і зливаються в один об’єкт, спричиняючи гравітаційні хвилі, які реєструють детектори LIGO та Virgo.
«Геометричне» уявлення про те, який вигляд має чорна діра. Фото з сайту https://phys.org.
Зоряний колапс, однак, спричиняє нестабільність, яка перешкоджає утворенню чорних дір більшої маси. Тому потрібна нова модель для пояснення існування подвійних систем чорних дір із масами, більшими приблизно від 50 М⊙. Існує припущення, що ці об'єкти утворюються з подвійних чорних дір, які потім зливаються з іншими чорними дірами. Науковці вважають, що ці чорні діри «нового покоління», утворені внаслідок злиття їхніх «батьків», — можуть бути більш масивними чорними дірами, які можна спостерігати з допомогою LIGO та Virgo.
У новому дослідженні, опублікованому в Physical Review D Rapid Communications, науковці з Інституту гравітаційної хвильової астрономії Бірмінгемського університету висловили припущення, що майбутня реєстрація злиття кількох поколінь чорних дір дасть змогу з’ясувати їх місце народження. Дослідники виконали нові обчислення, які допоможуть астрономам краще зрозуміти ці злиття, і те, де їх треба шукати.
«Зоряні скупчення — групи зір, пов'язаних між собою гравітацією, можуть діяти як «розсадники» чорних дір, забезпечуючи ідеальне середовище для вирощування кількох поколінь таких об’єктів», — пояснює доктор Девіде Ґероса (Davide Gerosa), головний автор статті. «Але для того, щоб знати, який тип зоряних скупчень, найімовірніше, здатний їх формувати, спочатку нам треба знати про фізичні умови, які для цього потрібні».
Наукова «команда» вважає, що вона знайшла частину рішення цієї головоломки, обчисливши ймовірну «швидкість втечі», для скупчення, яке може містити чорну діру масою понад 50 М⊙. Швидкість втечі — це швидкість, з якою об’єкт має рухатися, щоб подолати дію сили тяжіння. Наприклад, для виходу на орбіту ракеті, що стартує із Землі, треба надати швидкість 11 км/с.
Коли чорні діри зливаються, вони отримують відскік або поштовх. Так само, як пістолет отримує відскік під час вистрілу, чорні діри відскакують, коли випромінюють гравітаційні хвилі. Чорні діри наступного покоління можуть утворюватись лише в тому разі, якщо їхніх попередників не «вигнали» зі скупчення, тобто лише якщо швидкість втечі скупчення досить велика.
Розрахунки вказують на те, що скупчення, в якому спостерігали чорні діри з масою понад 50 М⊙, мало швидкість втечі понад 50 км/с.
Співавтор статті, професор Емануеле Берті (Emanuele Berti) з університету Джона Гопкінса пояснив: «Реєстрація гравітаційних хвиль дає безпрецедентну можливість зрозуміти астрофізичні параметри областей космічного простору, де утворюються і розвиваються чорні діри. Дуже масштабна подія вказувала б на щільне середовище з великою швидкістю втечі».
Де можна знайти ці типи щільних скупчень? Багато прогнозів для LIGO і Virgo досі були зосереджені на кулястих скупченнях — сферичних утвореннях, що вміщують з близько мільйона зір, щільно пов’язаних між собою на околицях галактик. Однак швидкість їх втечі занадто низька. Це нове дослідження вказує, що кулясті скупчення навряд чи можуть містити чорні діри кількох поколінь. Астрономам потрібно буде шукати далі: ядерні скупчення зір (nuclear star cluster, NSC), знайдені поблизу центру деяких галактик, — досить щільні й можуть забезпечити тип середовища, потрібний для створення цих об'єктів.
«Гравітаційно-хвильова астрономія революціонізує наше розуміння Всесвіту», — сказав доктор Ґероса. «Ми всі чекаємо майбутніх результатів від LIGO та Virgo, щоб знайти підтвердження ці та інші астрофізичні передбачення».
За інф. з сайту https://phys.org підготував Іван Крячко
