Расширение Вселенной оказывает непосредственное влияние на рост черных дыр, предполагает новое исследование

В последние шесть лет обсерватории гравитационных волн обнаруживали слияния черных дыр, чем подтверждали главное предвидение теории гравитации Альберта Эйнштейна. Но есть проблема — многие из этих черных дыр неожиданно велики.

Теперь группа исследователей из Гавайского университета в Маноа, Чикагского университета и Мичиганского университета в Анн-Арборе предложила новое решение этой проблемы: черные дыры растут вместе с расширением Вселенной, рассказывается в прессрелизе Гавайского университета в Маноа (UH Mānoa).

С момента первого наблюдения слияния черных дыр, проведенного с помощью Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) в 2015 году, астрономы неоднократно удивлялись их большим массам. Хотя они не излучают свет, слияния черных дыр наблюдаются благодаря испусканию ими гравитационных волн — ряби в ткани пространства-времени, которые были предусмотрены общей теорией относительности Эйнштейна. Первоначально физики ожидали, что черные дыры будут иметь массу меньше примерно 40 солнечных масс, поскольку сливающиеся черные дыры возникают из массивных звезд, которые не могут удерживать сами себя, если они слишком велики.

Обсерватории LIGO и Virgo, однако, нашли много черных дыр с массами, превышающими массу 50 солнц, а некоторые из них достигают 100 солнц. Было предложено немало сценариев образования таких больших черных дыр, но ни один сценарий не смог объяснить разнообразие наблюдаемых слияний черных дыр, и нет согласия относительно того, какая комбинация сценариев образования физически жизнеспособна. Новое исследование, опубликованное в Astrophysical Journal Letters, является первым, показывающим, что как большие, так и малые массы черных дыр могут быть результатом одного пути, когда черные дыры набирают массу от расширения самой Вселенной.

Астрономы обычно моделируют черные дыры внутри Вселенной, которая не может расширяться. «Это предположение упрощает уравнение Эйнштейна потому, что нерасширяющаяся Вселенная имеет гораздо меньше того, за чем нужно следить», — сказал Кевин Крокер, профессор кафедры физики и астрономии UH Mānoa. «Но здесь есть компромисс: прогнозы могут быть разумными только в течение ограниченного интервала времени».

Поскольку отдельные события, которые можно обнаружить с помощью LIGO—Virgo, продолжаются всего несколько секунд, при анализе любого отдельного события это упрощение разумно. Но сами слияния потенциально происходят миллиарды лет. В течение времени между образованием пары черных дыр и их окончательным слиянием Вселенная глубоко разрастается. Если внимательно рассмотреть более тонкие аспекты теории Эйнштейна, то появляется поразительная возможность: массы черных дыр могут расти вместе со Вселенной – явление, которое Крокер и его команда называют космологическим сцеплением.

Самым известным примером космологически сцепленного материала является свет, который теряет энергию по мере роста Вселенной. "Мы решили рассмотреть противоположный эффект", - сказал соавтор исследования и профессор физики и астрономии UH Mānoa Дункан Фарра. «Что бы наблюдали LIGO—Virgo, если бы черные дыры были космологически сцепленными и получали энергию без потребности потреблять другие звезды или газ?»

Для проверки этой гипотезы исследователи симулировали рождение, жизнь и смерть миллионов пар больших звезд. Любые пары, где обе звезды погибли, образуя черные дыры, затем были связаны с размером Вселенной, начиная с момента их смерти. По мере того как Вселенная продолжала расти, массы этих черных дыр росли, когда они по спирали приближались друг к другу. В результате было не только больше массивных черных дыр, когда они слились, но также гораздо больше слияний. Когда исследователи сравнили данные LIGO—Virgo со своими прогнозами, они довольно хорошо согласовались. «Должен сказать, что сначала не знал, что и думать», – говорит соавтор исследования и профессор Мичиганского университета Грегори Тарле. "Это была настолько простая идея, я был удивлен, что она так хорошо сработала".

По мнению исследователей, эта новая модель важна, поскольку не требует никаких изменений в нашем текущем представлении о формировании, эволюции или смерти звезд. Согласование новой модели и наших текущих данных происходит от простого признания того, что реалистичные черные дыры не существуют в статической Вселенной. Однако исследователи осторожно подчеркнули, что тайна массивных черных дыр LIGO-Virgo далека от разгадки.

«Многие аспекты слияния черных дыр не известны в деталях, например, доминантная среда формирования и сложные физические процессы, которые сохраняются на протяжении всей их жизни», – сказал соавтор исследования и стипендиат Хаббла от NASA доктор Майкл Зевин. «Хотя мы использовали симулированную звездную популяцию, отражающую данные, которые мы имеем на данный момент, есть много пространства для маневра. Мы видим, что космологическое сцепление является полезной идеей, но пока не можем измерить силу этого сцепления».

Соавтор исследования и профессор физики и астрономии UH Mānoa Куртис Нишимура выразил свой оптимизм по поводу будущих испытаний этой новой идеи: «Поскольку обсерватории гравитационных волн будут продолжать улучшать чувствительность в течение следующего десятилетия, увеличение количества и качества данных позволит провести новый анализ. Это будет измерено достаточно скоро».

! Читайте еще интересные новости о космосе на сайте или следите за ними на Facebook.