Вокруг чудовищной черной дыры более мелкие черные дыры сталкиваются странным образом

В этой небесной «бильярдной» игре царит хаос.

Художественное изображение звездных черных дыр в диске сверхмассивной черной дыры. (Изображение предоставлено: Дж. Самсинг/Институт Нильса Бора)

Возьмите три черные дыры и бросьте их в диск, окружающий сверхмассивную черную дыру, и все станет очень странным и очень быстрым.

Таков вывод нового исследования, посвященного особенно странному гравитационно-волновому событию, которое ученые наблюдали в мае 2019 года и до сих пор пытаются понять. Гравитационные волны — это рябь в пространстве-времени, вызванная, среди прочих драматических событий, слиянием черных дыр. Но это конкретное наблюдение не соответствовало другим зафиксированным учеными столкновениям: оно привело к черной дыре среднего размера, которую ученые едва ли могут увидеть, а тем более объяснить, и какая-то сила растягивала типичный круговой танец, когда бегемоты приближались друг к другу. Разное.

«Гравитационно-волновое событие GW190521 является самым удивительным открытием на сегодняшний день. Массы и вращения черных дыр уже были удивительными, но еще более удивительным было то, что они, казалось, не имели круговой орбиты, ведущей к слиянию», — Имре Бартос, исследователь. Физик из Университета Флориды и соавтор нового исследования, говорится в заявлении. (Астрономы называют сигналы гравитационных волн датой их наблюдения, поэтому GW190521 отмечает гравитационную волну, обнаруженную 21 мая 2019 года.)

При самом раннем анализе странного сигнала ученые уже подозревали, что слияние произошло в космическом кармане, богатом черными дырами. Астрономам известны два типа черных дыр. Одни из них, называемые звездными черными дырами, образуются из умирающих звезд и содержат примерно в дюжину раз больше массы нашего Солнца. Сверхмассивные черные дыры, напротив, прячутся в центре некоторых галактик (включая наш Млечный Путь) и могут содержать массу, в миллионы раз превышающую массу их крохотных собратьев.

Результатом слияния в мае 2019 года оказалась промежуточная черная дыра, размер которой колеблется от 100 до 1000 раз больше массы нашего Солнца. Ученым еще никогда не удавалось изучить и не могли объяснить, как мог образоваться такой объект. В ответ на обнаружение астрономы предположили, что одна из столкнувшихся черных дыр сама была результатом столкновения, толкающего конечный продукт в таинственный промежуточный диапазон в 142 раза больше массы Солнца.

Чтобы получить два последовательных столкновения, астрономы, сначала проанализировавшие GW190521, предположили, что событие произошло вблизи того, что ученые называют активным галактическим ядром — особенно динамичной сверхмассивной черной дырой, прикрепляющей галактику, где могут размножаться более мелкие черные дыры.

Новое исследование поддерживает это предположение, рассматривая ситуацию под другим углом.

Художественное изображение двух звездных черных дыр в диске, окружающем сверхмассивную черную дыру. (Изображение предоставлено Калифорнийским технологическим институтом/Р. Хёртом (IPAC))

Эти ученые хотели понять, почему две черные дыры на самом деле не вращались вокруг друг друга при столкновении — вместо этого их орбиты были эксцентричными или эллиптическими, больше овальными, чем круговыми. Это тоже было странно: астрономы думали, что массивные гравитационные силы, возникающие при столкновении двух черных дыр, должны были вынудить их пойти по кругу.

Поэтому физики, стоящие за новым исследованием, приступили к моделированию столкновений черных дыр. И хотя их расчеты предполагали, что три случайных черных дыры вряд ли приведут к эксцентрическому столкновению, кое-что изменилось, когда они рассмотрели среду активного галактического ядра.

Этот тип объекта также содержит диск материи, окружающий сверхмассивную черную дыру, как гораздо более массивную модель Солнечной системы. Там, где в Солнечной системе есть планеты, в активном галактическом ядре есть звездные черные дыры, разбросанные по всему диску, что новое исследование идентифицирует как двухмерную систему.

В этих условиях вероятность эксцентричного слияния моделей резко возросла — в 100 раз, говорится в заявлении соавтора Йохана Самсинга, астрофизика из Института Нильса Бора в Дании. При такой скорости, возможно, половина слияний дисков активных галактических ядер будет эксцентричной, а не круговой, что делает исключительное наблюдение в мае 2019 года гораздо менее удивительным.

«В этих средах типичная скорость и плотность черных дыр настолько высоки, что более мелкие черные дыры подпрыгивают, как в гигантской игре в бильярд, и широкие круговые двойные системы не могут существовать», — соавтор Бенс Коксис, астрофизик из Оксфордского университета. В Соединенном Королевстве, говорится в заявлении.

Исследователи отметили, что вероятность эксцентрических слияний в их модели зависит от характеристик диска, окружающего сверхмассивную черную дыру. Следующим шагом, по их словам, является обнаружение еще большего количества столкновений черных дыр для анализа.

Исследование описано в статье, опубликованной в среду (9 марта) в журнале Nature.