Судя по повторному анализу данных LIGO, однобокое слияние двух черных дыр может иметь необычное происхождение. Предоставлено: MIT News.
Исследователи предлагают новый процесс для объяснения столкновения большого черная дыра и гораздо меньшего размера.
Одностороннее слияние двух черных дыр может иметь неожиданную историю происхождения, согласно новому исследованию исследователей С УЧАСТИЕМ и в другом месте.
Впервые слияние было обнаружено 12 апреля 2019 года как гравитационная волна, которая достигла детекторов обоих LIGO (Обсерватория гравитационных волн с лазерным интерферометром) и ее итальянский аналог, Дева. Ученые назвали сигнал GW190412 и определили, что он возник в результате столкновения двух черных дыр Давида и Голиафа, одна из которых в три раза массивнее другой. Этот сигнал ознаменовал первое обнаружение слияния двух черных дыр очень разных размеров.
Теперь новое исследование, опубликованное 2 сентября 2020 года в журнале Письма с физическими проверками, показывает, что это однобокое слияние могло возникнуть в результате совсем другого процесса по сравнению с тем, как считается большинство слияний или бинарных структур.
Вполне вероятно, что более массивная из двух черных дыр сама была продуктом предыдущего слияния двух родительских черных дыр. Голиаф, появившийся в результате этого первого столкновения, мог затем рикошетить вокруг плотно упакованного «ядерного кластера» перед слиянием со второй, меньшей черной дырой – хриплое событие, которое вызвало гравитационные волны рябь в пространстве.
Таким образом, GW190412 может быть объединением второго поколения или «иерархическим» слиянием, отличным от других слияний первого поколения, обнаруженных LIGO и Virgo.
«Это странное событие, которое вселенная бросила в нас – мы этого не ожидали», – говорит соавтор исследования Сальваторе Витале, доцент физики Массачусетского технологического института и член LIGO. «Но во вселенной ничего не происходит только один раз. И что-то подобное, хотя и редко, мы увидим снова и сможем рассказать больше о Вселенной ».
Соавторы Витале – Давиде Героса из Бирмингемский университет и Эмануэле Берти из Университета Джона Хопкинса.
Борьба за объяснение
Считается, что существует два основных способа образования слияний черных дыр. Первый известен как процесс с общей оболочкой, когда две соседние звезды через миллиарды лет взрываются, образуя две соседние черные дыры, которые в конечном итоге имеют общую оболочку или газовый диск. Спустя еще несколько миллиардов лет черные дыры сливаются по спирали.
«Вы можете думать об этом как о паре, которая всю жизнь вместе», – говорит Витале. «Предполагается, что этот процесс происходит в диске галактик, подобных нашей».
Другой распространенный путь, по которому сливаются черные дыры, – это динамические взаимодействия. Представьте себе вместо моногамной среды галактический рейв, где тысячи черных дыр втиснуты в небольшую плотную область Вселенной. Когда две черные дыры начинают объединяться, третья может развалить пару в динамическом взаимодействии, которое может повторяться много раз, прежде чем пара черных дыр окончательно сольется.
Как в процессе с общей оболочкой, так и в сценарии динамического взаимодействия сливающиеся черные дыры должны иметь примерно одинаковую массу, в отличие от однобокого отношения масс GW190412. У них также должно быть относительно отсутствие вращения, тогда как GW190412 имеет удивительно высокое вращение.
«Суть в том, что оба этих сценария, которые люди традиционно считают идеальными рассадниками для двойных черных дыр во Вселенной, изо всех сил пытаются объяснить соотношение масс и вращение этого события», – говорит Витале.
Отслеживание черной дыры
В своей новой статье исследователи использовали две модели, чтобы показать, что очень маловероятно, что GW190412 возник в результате общего процесса оболочки или динамического взаимодействия.
Сначала они смоделировали эволюцию типичной галактики, используя STAR TRACK, симуляцию, которая отслеживает галактики на протяжении миллиардов лет, начиная со слияния газа и заканчивая тем, как звезды принимают форму и взрываются, а затем коллапсируют в черные дыры, которые в конечном итоге сливаются. Вторая модель моделирует случайные динамические встречи в шаровых скоплениях – плотных скоплениях звезд вокруг большинства галактик.
Команда провела оба моделирования несколько раз, настраивая параметры и изучая свойства образовавшихся слияний черных дыр. Для тех слияний, которые образовывались в результате общего процесса конверта, слияние, подобное GW190412, было очень редким явлением, возникшим только после нескольких миллионов событий. После нескольких тысяч слияний вероятность такого события была несколько выше, чем у динамических взаимодействий.
Однако GW190412 был обнаружен LIGO и Virgo только после 50 других обнаружений, что позволяет предположить, что он, вероятно, возник в результате какого-то другого процесса.
«Что бы мы ни делали, мы не можем легко произвести это событие в этих более распространенных каналах формирования», – говорит Витале.
Процесс иерархического слияния может лучше объяснить однобокую массу GW190412 и его высокую скорость вращения. Если бы одна черная дыра была продуктом предыдущего спаривания двух родительских черных дыр одинаковой массы, она сама была бы массивнее любой из родительских дыр, а позже значительно затмила бы своего партнера в первом поколении, создавая высокую долю масс в окончательном слиянии.
Иерархический процесс также может вызвать слияние с высоким вращением: родительские черные дыры в их хаотическом слиянии раскрутят образовавшуюся черную дыру, которая затем перенесет это вращение в свое собственное окончательное столкновение.
«Вы подсчитываете, и оказывается, что оставшаяся черная дыра будет иметь вращение, очень близкое к полному вращению этого слияния», – объясняет Витале.
Побег невозможен
По словам Витале, если GW190412 действительно сформировался в результате иерархического слияния, это событие также может пролить свет на среду, в которой он образовался. Команда обнаружила, что если большая из двух черных дыр образовалась в результате предыдущего столкновения, это столкновение, вероятно, генерировало огромное количество энергии, которая не только раскручивала новую черную дыру, но и отбрасывала ее на некоторое расстояние.
«Если его ударить слишком сильно, он просто выйдет из скопления и уйдет в пустую межзвездную среду, и не сможет снова слиться», – говорит Витале.
Если объект смог снова слиться (в данном случае, чтобы произвести GW190412), это означало бы, что полученного им толчка было недостаточно, чтобы покинуть звездное скопление, в котором он образовался. Если GW190412 действительно является продуктом иерархического слияния, команда подсчитала, что это могло произойти в среде со скоростью убегания выше 150 километров в секунду. Для сравнения: космическая скорость большинства шаровых скоплений составляет около 50 километров в секунду.
Это означает, что любая среда, в которой возник GW190412, обладала огромным гравитационным притяжением, и команда полагает, что такой средой мог быть либо газовый диск вокруг сверхмассивной черной дыры, либо «ядерный кластер» – невероятно плотная область Вселенной. , наполненный десятками миллионов звезд.
«Это слияние, должно быть, произошло в необычном месте», – говорит Витале. «Поскольку LIGO и Дева продолжают делать новые открытия, мы можем использовать эти открытия, чтобы узнавать новые вещи о Вселенной».
Ссылка: «Астрофизические последствия GW190412 как остатка предыдущего слияния черных дыр» Давиде Героса, Сальваторе Витале и Эмануэле Берти, 2 сентября 2020 г., Письма с физическими проверками.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.125.101103
Это исследование частично финансировалось Национальным научным фондом США и Исследовательским фондом Соломона Буксбаума Массачусетского технологического института.
