Открита е една от последните връзки в теорията за големи сливания на Вселената.

Нов модел доближава учените до разбирането на типа светлинни сигнали, създадени, когато две супермасивни черни дупки (милиони до милиарди пъти по-масивни от Слънцето) спираловидно се сблъскат. За първи път компютърни симулации, включващи физическите ефекти от теорията на общата теория на относителността на Айнщайн, показват, че газът в такива системи ще свети предимно в UV и рентгенова светлина.

Почти всяка галактика с параметрите на Млечния път съдържа черна дупка в центъра. Наблюденията показват, че галактическите сливания се случват често, но досега никой не е успял да види процеса на сблъсък на гигантски черни дупки. Въпреки това учените успяха да забележат сливането на черни дупки със звездна маса (от три до няколко десетки слънчеви маси) с помощта на LIGO. В конкретния случай са създадени гравитационни вълни – вълни в пространството и времето, движещи се със скоростта на светлината.

Газът блести ярко в компютърни симулации на свръхмасивни черни дупки на 40 орбити от сливането. Модели като тези ще помогнат да се идентифицират реални примери за такива двоични системи.

Сливанията за свръхмасивни черни дупки ще бъдат по-трудни за определяне. Факт е, че самата Земя е твърде шумно място. Разтърсва се от сеизмични вибрации и гравитационни промени от атмосферни смущения. Следователно детекторите трябва да са в космоса, както е планирано с LISA през 2030 г.

Важно е да се отбележи, че свръхмасивните двойни системи ще се различават от по-малките си другари в богатата на газ среда. Учените подозират, че експлозията на свръхнова, която образува черната дупка, също издухва голяма част от околния газ. Черната дупка е толкова бързо погълната от остатъците, че сливането не оставя нищо за „обяд“ и не се произвежда светлинен сигнал.

Но нека не забравяме, че сливането на свръхмасивни черни дупки се случва на фона на галактическо сливане, което означава, че има съпровод от облаци газ и прах, звезди и планети. Най-вероятно галактическият сблъсък задвижва голяма част от този материал по-близо до черните дупки, които продължават да се хранят. Докато се приближава, магнитните и гравитационните сили загряват останалия газ, което позволява на астрономите да улавят сигнали.

Новата симулация показва три орбити на двойка свръхмасивни черни дупки на 40 орбити от сливането. Може да се види, че на този етап от процеса светлината се излъчва само в UV светлина, използвайки някои високоенергийни рентгенови лъчи.

Този 360-градусов изглед ни поставя в центъра на две въртящи се свръхмасивни черни дупки на 30 милиона километра една от друга с орбитален период от 46 минути. Могат да се видят черни дупки, които изкривяват звездния фон и улавят светлина. Отличителна черта е фотонният пръстен. Цялата система ще има 1 милион слънчеви маси

Три области от излъчващ светлина газ се нагряват, когато черните дупки се сливат. Оформя голям пръстеноколо системата, както и два по-малки ринга около всеки от тях. Всички тези обекти излъчват предимно UV лъчи. Докато газът се влива в минидиска с висока скорост, ултравиолетовата светлина от диска контактува с всяка корона на черна дупка (област от високоенергийни субатомни частици над и под диска). Когато скоростта на натрупване е по-ниска, UV светлината намалява спрямо рентгеновото лъчение.

Въз основа на моделиране учените очакват това рентгенови лъчи, създадена от „почти сливането“, ще бъде по-ярка, отколкото в единични супермасивни черни дупки. Суперкомпютърът Blue Waters беше използван за симулацията в продължение на 46 дни на 9600 изчислителни ядра. Първоначалната симулация оценява температурата на газа. Екипът планира да усъвършенства кода, за да моделира как се променят системните параметри като температура, разстояние, обща маса и скорост на натрупване. Учените се интересуват да разберат какво се случва с газа, пътуващ между две черни дупки.

МОСКВА, 26 септември - РИА Новости.Гравитационните обсерватории LIGO и VIRGO за първи път едновременно откриха изблик на гравитационни вълни, генерирани от сливането на две черни дупки, и локализираха техния източник - една от галактиките в съзвездието Часове, съобщиха участници в колаборациите VIRGO и LIGO, които говориха на брифинг за пресата на министерската среща на Г-7 в Италия Торино.

"Комбинирането на LIGO и VIRGO не само увеличи точността на локализиране на източниците на гравитационни вълни с 20 пъти, но също така ни позволи да започнем да търсим следи от обекти, които генерират гравитационни вълни в други видове радиация. Днес ние наистина навлязохме в ерата на пълноценна гравитационна астрономия“, каза Дейвид Шумейкър, лидер на сътрудничеството LIGO.

В търсене на гънките на пространство-времето

Детекторът за гравитационни вълни LIGO е създаден през 2002 г. според проекти и планове, разработени от Кип Торн, Райнер Вайс и Роналд Древър в края на 80-те години. На първия етап от работата си, който продължи 8 години, LIGO не успя да открие „Айнщайновите“ колебания на пространство-времето, след което детекторът беше изключен и учените прекараха следващите 4 години в актуализирането му и увеличаването на чувствителността.

Тези усилия се отплатиха - през септември 2015 г., почти веднага след включването на актуализирания LIGO, учените откриха изблик на гравитационни вълни, генерирани от сливането на черни дупки с обща маса от 53 слънца. Впоследствие LIGO откри още три изблика на гравитационни вълни, само един от които беше официално признат от научната общност.

Учените не знаят къде точно са били разположени източниците на тези гравитационни вълни - поради факта, че LIGO има само два детектора, те успяха да идентифицират само доста тясна ивица в нощното небе, където можеха да се намират тези черни дупки. Вътре в нея, въпреки скромните си размери, има милиони галактики, което прави търсенето на „крайния продукт“ от тези сливания практически безполезно упражнение.

През юни тази година европейският "братовчед" на LIGO - гравитационната обсерватория VIRGO, построена в околностите на Пиза, Италия през 2003 г., възобнови работата си. VIRGO беше спрян през 2011 г., след което инженерният екип на обсерваторията извърши основно надграждане, доближавайки чувствителността му до текущото ниво на LIGO.

Всички проверки на детекторите VIRGO приключиха до 1 август тази година и сега обсерваторията започна съвместни наблюдения с два детектора LIGO. Неговата чувствителност е малко по-ниска от тази на американския гравитационен телескоп, но данните, които получава, ни позволяват да решим два важни научни проблема - да подобрим качеството и надеждността на сигнала, получаван от LIGO, и да определим "триизмерната" позиция от източника на гравитационни вълни.

Айнщайнова триангулация

Учените постигнаха първите си резултати неочаквано бързо - още на 14 август те успяха да засекат взрива GW170814, възникнал в далечна галактика на разстояние 1,8 милиарда светлинни години от Земята. Както и в предишните три случая, тези вълни са генерирани от необичайно големи черни дупки, чиято маса надвишава слънчевата 30,5 и 25 пъти. По време на тяхното сливане приблизително три маси на Слънцето бяха „изпарени“ и бяха изразходвани за излъчване на гравитационни вълни.

Използването на три детектора наведнъж позволи на учените значително да повишат точността на локализиране на източника на гравитационни вълни - галактиката, в която се намират черните дупки, които ги генерират, се намира в малка част от небето в съзвездието Часове в нощното небе на южното полукълбо на Земята. Освен това учените планират да използват тези данни, за да търсят възможни следи от това огнище в радио и рентгеновия обхват.

Усещания в в такъв случайне се случи - предварителният анализ на данните, събрани от LIGO и VIRGO по време на това изригване, показва, че гравитационните вълни се движат през пространството и се държат точно както предвижда теорията на Айнщайн. В бъдеще, когато чувствителността на LIGO и VIRGO се увеличи, учените се надяват да намерят окончателен отговор на този въпрос.

Както отбеляза Шумейкър, детекторите на LIGO бяха изключени на 25 август, за да се удвои приблизително тяхната точност. Това „модернизиране“, каза той, ще разшири „хоризонта на зрението“ на обсерваторията с около девет пъти и ще направи възможно намирането на следи от сливане на черни дупки почти всяка седмица.

Когато нещо пресече хоризонта на събитията на черна дупка отвън, то е обречено. След няколко секунди обектът ще достигне сингулярност в центъра на черната дупка: точка за невъртяща се черна дупка и пръстен за въртяща се. Самата черна дупка не помни какви частици са попаднали в нея или какво е тяхното квантово състояние. Вместо това всичко, което ще остане от гледна точка на информация, е общата маса, заряд и ъглов импулс на черната дупка.

В последния етап преди сливането пространство-времето около черната дупка ще бъде нарушено, тъй като материята продължава да пада в двете черни дупки от заобикаляща среда. Никога не трябва да приемате, че нещо може да избяга от вътрешността на хоризонта на събитията.

По този начин човек може да си представи сценарий, при който материята пада в черна дупка по време на последните етапи на сливането, когато една черна дупка е на път да се слее с друга. Тъй като черните дупки винаги трябва да имат акреционни дискове и винаги има материя, която се носи наоколо в междузвездната среда, частиците постоянно ще пресичат хоризонта на събитията. Тук всичко е просто, така че нека разгледаме частица, която е влязла в хоризонта на събитията преди последните моменти на сливането.

Би ли могла теоретично да избяга? Може ли да „скача“ от една черна дупка в друга? Нека да разгледаме ситуацията от гледна точка на пространство-времето.

Компютърна симулация на две сливащи се черни дупки и кривините на пространство-времето, които причиняват. Въпреки че гравитационните вълни се излъчват постоянно, самата материя не може да избяга

Когато две черни дупки се сливат, те го правят след дълъг период на спирала, по време на който се излъчва енергия под формата на гравитационни вълни. До последните моменти преди сливането енергията се излъчва и отлита. Но това не може да доведе до свиване на хоризонта на събитията или дори на черната дупка; вместо това енергията идва от пространство-времето в центъра на масата, което става все по-деформирано. С такъв успех би било възможно да се открадне енергия от планетата; ще започне да се върти по-близо до Слънцето, но неговите свойства (или свойствата на Слънцето) няма да се променят по никакъв начин.

Въпреки това, когато настъпят последните моменти от сливането, хоризонтите на събитията на двете черни дупки се изкривяват от гравитационното присъствие една на друга. За щастие релативистите вече са изчислили числено как сливанията влияят върху хоризонтите на събитията и това е впечатляващо информативно.

Въпреки че до 5% от общата маса на черните дупки преди сливането може да се излъчва като гравитационни вълни, хоризонтът на събитията никога не се свива. Важното е, че ако вземете две черни дупки с еднаква маса, техните хоризонти на събитията ще заемат определено пространство. Ако те бяха комбинирани, за да създадат черна дупка с два пъти по-голяма маса, обемът на пространството, заемано от хоризонта, ще бъде четири пъти по-голям от първоначалния обем на комбинираните черни дупки. Масата на черните дупки е право пропорционална на радиуса им, но обемът е пропорционален на куба на радиуса.

Въпреки че сме открили много черни дупки, радиусът на всеки хоризонт на събитията е право пропорционален на масата на дупката и това винаги е така. Удвоете масата, удвоете радиуса, но площта се учетворява, а обемът - осем пъти

Оказва се, че дори ако държите частица възможно най-неподвижна в черна дупка и тя пада възможно най-бавно към сингулярността, няма начин да избяга. Общият обем на комбинираните хоризонти на събитията се увеличава по време на сливането на черна дупка и без значение каква е траекторията на частица, пресичаща хоризонта на събитията, тя е обречена да бъде погълната от комбинираната сингулярност на двете черни дупки.

В много астрофизични сценарии емисиите възникват, когато материята от даден обект избяга по време на катаклизъм. Но в случай на сливане на черна дупка, това, което е вътре, остава вътре; по-голямата част от това, което е било отвън, е засмукано и само малко от това, което е било отвън, може да избяга. Ако попаднете в черна дупка, вие сте обречени. И още една черна дупка няма да промени баланса на силите.

Нова компютърна симулация, която напълно включва физически ефекти Обща теорияОтносителността на Айнщайн показва, че газът в системи от сливащи се черни дупки излъчва предимно в ултравиолетовия и рентгеновия диапазон. Проучването е представено в сп Астрофизичен вестник .

„Знаем, че галактиките с централни свръхмасивни черни дупки се сливат една с друга, но само в малка част успяхме да открием присъствието на две „чудовища“. И двойките, които виждаме, не излъчват достатъчно силни гравитационни вълни, защото все още са твърде далеч една от друга. Нашата цел е да идентифицираме по-близки дуети чрез светлинни сигнали и по този начин да проследим техните гравитационни вълни в бъдеще“, казва Скот Ноубъл, астрофизик в Центъра за космически полети на НАСА. Годард (САЩ).

Впечатление на художник от свръхмасивна черна дупка. Кредит: НАСА

През 2015 г. учените откриха сливането на черни дупки със звездна маса с помощта на обсерваторията LIGO, но сблъсъци на свръхмасивни обекти. Една от причините наземните обсерватории да не могат да открият кривината на пространство-времето от тези събития е, че самата Земя е подложена на вибрации от сеизмични вибрации и промени. атмосферно налягане, така че детекторите трябва да са в космоса, като космическата антена за лазерен интерферометър (LISA) на Европейската космическа агенция (ESA), планирана за изстрелване през 2030 г.

Изчерпателните наблюдения на пулсарите също биха могли да помогнат за откриването на гравитационни вълни от чудовищни ​​сливания. Подобно на фаровете, пулсарите непрекъснато излъчват синхронизирани лъчи светлина. Гравитационни вълниби трябвало да предизвика незначителни промени в периодите на избухване, но това все още не е наблюдавано на практика.

Изображение на пулсара Парус, направено от обсерваторията Чандра на НАСА. Кредит: НАСА

Въпреки това, свръхмасивните двойки, които се приближават до сблъсък, имат едно нещо, което двойните системи със звездна маса нямат: среда, богата на газ. Учените теоретизират, че експлозията на свръхнова, която създава малката черна дупка, издухва по-голямата част от околния газ и останалият газ, който пада върху нея, не е достатъчен, за да генерира мощна радиация по време на процеса на сливане.

От друга страна, двойки свръхмасивни черни дупки са резултат от сливане на галактики. Всяка от тях е заобиколена от облаци газ и прах, звезди и планети. Сблъсъкът на галактики задвижва по-голямата част от материала към централните черни дупки. Когато се приближи до хоризонта на събитията, останалият газ се нагрява от магнитни и гравитационни силии излъчва ярко сияние, наблюдавано от астрономите.

Симулирането на свръхмасивни сблъсъци изисква сложни изчислителни инструменти, които отчитат всички физически ефекти, създадени от две гигантски черни дупки, орбитиращи една около друга с почти релативистични скорости. Знаейки какъв вид светлинни сигнали се произвеждат при такива събития ще помогне на съвременните наблюдения да ги идентифицират и други процеси в сърцето на повечето галактики.

Нова симулация описва поведението на супермасивни черни дупки на 40 орбити преди сливането. Моделът показва, че излъчването е предимно в ултравиолетовите и високоенергийните рентгенови лъчи, подобно на това, което се наблюдава във всяка галактика със супермасивна централна черна дупка.

Три области на излъчващ газ се нагряват, когато черните дупки се сливат и се обгръщат от потоци горещ газ: голям пръстен, обграждащ цялата система, и два по-малки диска около всяка от тях. Всички тези обекти излъчват предимно ултравиолетова радиация. Докато газът тече в по-малкия пръстен, ултравиолетовата светлина на диска взаимодейства с короната на черната дупка, област от високоенергийни субатомни частици над и под диска, произвеждайки рентгенови лъчи. При по-ниски скорости на натрупване рентгеновите лъчи доминират над ултравиолетовите.

Въз основа на симулациите изследователите очакват рентгеновите лъчи, излъчвани преди сливането, да бъдат по-ярки и по-променливи от тези, наблюдавани от единични супермасивни черни дупки.

Симулацията беше извършена на суперкомпютър в Университета на Илинойс в Урбана-Шампейн (САЩ) и отне 46 дни на 9600 изчислителни ядра. Екипът планира да усъвършенства кода, за да оцени ефекта от промените във входните параметри на системата (като температура, разстояние, обща маса и скорост на натрупване) върху излъчваната светлина, както и да разбере какво се случва с газа, пътуващ между две черни дупки в по-дълги времеви мащаби. Ако усилията им работят според очакванията, астрофизиците биха могли да открият свръхмасивни сливания на черни дупки, преди базирана в космоса обсерватория за гравитационни вълни да ги види.