Без дополнительных данных, происхождение черной дыры может быть “закручено” в любое направление

Исследование показывает, что современные измерения черных дыр недостаточны для того, чтобы понять, в каких условиях во Вселенной формируются невидимые гиганты.

Об этом рассказывают в Массачусетском технологическом институте (MIT), передают OstanniPodii.com.

Подсказки о происхождении черной дыры можно найти в том, как она вращается вокруг своей оси. Это особенно справедливо для бинаров, в которых две черные дыры кружатся близко друг к другу перед слиянием. Вращение и наклон соответствующих черных дыр непосредственно перед их слиянием могут показать, возникли ли невидимые гиганты из спокойного галактического диска или из более динамичного скопления звезд.

Астрономы надеются выяснить, какая из этих историй происхождения более вероятна, проанализировав 69 подтвержденных бинаров, обнаруженных на сегодняшний день. Но новое исследование показывает, что сейчас текущего каталога бинаров недостаточно, чтобы раскрыть что-то фундаментальное о том, как образуются черные дыры.

В исследовании, опубликованном в журнале Astronomy and Astrophysics Letters, физики MIT показывают, что когда все известные бинары и их вращение обрабатываются в моделях формирования черных дыр, выводы могут иметь совершенно разный вид, в зависимости от конкретной модели, используемой для интерпретации данных.

Таким образом, происхождение черной дыры может быть "закручено" по-разному, в зависимости от предположений модели о том, как устроена Вселенная.

"Когда вы меняете модель, делаете ее более гибкой или делаете другие предположения, вы получаете другой ответ о том, как черные дыры образовались во Вселенной", - говорит соавтор исследования Сильвия Бисковеану, аспирантка MIT, которая работает в лаборатории LIGO. "Мы показываем, что людям нужно быть осторожными, потому что мы еще не достигли той стадии с нашими данными, когда мы можем верить тому, что говорит нам модель".

Соавторами исследования являются Колм Талбот, аспирант MIT, и Сальваторе Витале, доцент физики и сотрудник Института астрофизики и космических исследований имени Кавли при MIT.

Рассказ о двух началах

Считается, что черные дыры в бинарных системах возникают одним из двух путей.

Первый - через "полевую эволюцию бинара", когда две звезды эволюционируют вместе и в конце концов взрываются в сверхновых, оставляя после себя две черные дыры, которые продолжают кружить в бинарной системе. В этом сценарии черные дыры должны иметь относительно выровненные вращения, поскольку они имели время - сначала как звезды, а затем как черные дыры - притянуть и перетянуть друг друга в одинаковые ориентации. Если черные дыры бинара имеют примерно одинаковое вращение, ученые считают, что они должны были развиваться в относительно спокойной среде, например, в галактическом диске.

Бинары черных дыр также могут образовываться в результате "динамической сборки", когда две черные дыры развиваются отдельно, каждая со своим собственным наклоном и вращением. В результате некоторых экстремальных астрофизических процессов черные дыры в конце концов сближаются достаточно близко, чтобы образовать бинарную систему. Такая динамическая пара, скорее всего, произойдет не в тихом галактическом диске, а в более плотной среде, например, в шаровом скоплении, где взаимодействие тысяч звезд может столкнуть две черные дыры вместе. Если черные дыры бинара имеют случайно ориентированные обороты, то, вероятнее всего, они образовались в шаровом скоплении.

Но какая доля бинаров формируется одним путем, а какая - другим? Ответ, по мнению астрономов, должен лежать в данных, в частности, в измерениях вращения черных дыр.

На сегодняшний день астрономы вычислили вращение черных дыр в 69 бинарах, которые были обнаружены сетью гравитационно-волновых детекторов, включая LIGO в США и его итальянский аналог Virgo. Каждый детектор выслушивает признаки гравитационных волн - очень слабых ревербераций в пространстве-времени, которые остаются после экстремальных астрофизических событий, таких как слияние массивных черных дыр.

При обнаружении каждого бинарного объекта астрономы оценили свойства соответствующей черной дыры, включая её массу и вращение. Измерения вращения они включили в общепринятую модель образования черных дыр и обнаружили признаки того, что бинарные дыры могут иметь как лучшее, то есть выровненное вращение, так и случайное. То есть, Вселенная может производить бинары как в галактических дисках, так и в шаровых скоплениях.

"Но мы хотели узнать, достаточно ли у нас данных, чтобы провести такое различие", - говорит Бисковеану. "И оказалось, что все очень запутанно и неопределенно, и это сложнее, чем кажется".

Вращение данных

В своем новом исследовании команда MIT проверила, приведут ли одни и те же данные к одинаковым выводам при обработке в рамках нескольких различных теоретических моделей формирования черных дыр.

Сначала команда воспроизвела измерения LIGO вращений в широко используемой модели образования черных дыр. Эта модель предполагает, что часть бинаров во Вселенной предпочитает создавать черные дыры с выровненными вращениями, тогда как другие бинары имеют случайные вращения. Они обнаружили, что данные согласуются с предположениями этой модели и показывают пик, где, согласно модели, должно быть больше черных дыр с одинаковыми вращениями.

Затем они немного подкорректировали модель, изменив ее предположения таким образом, что она предсказала немного другую ориентацию желаемых вращений черных дыр. Когда они обработали те же данные в этой измененной модели, они обнаружили, что данные сместились в соответствии с новыми предсказаниями. Подобные сдвиги произошли также в 10 других моделях, каждая из которых имела разные предположения о том, как предпочитают вращаться черные дыры.

"Наша статья показывает, что результат полностью зависит от того, как вы моделируете астрофизику, а не от самих данных", - говорит Бисковеану.

"Нам нужно больше данных, чем мы считали, если мы хотим сделать утверждение, которое не зависит от астрофизических предположений, которые мы делаем", - добавляет Витале.

Насколько больше данных понадобится астрономам? По оценкам Витале, после возобновления работы сети LIGO в начале 2023 года приборы будут обнаруживать по одной новой бинарной черной дыре каждые несколько дней. В течение следующего года это может добавить к данным еще сотни измерений.

"Измерения вращений, которые мы имеем сейчас, очень неопределенны", - говорит Витале. "Но по мере накопления большого их количества мы сможем получить более полную информацию. Тогда мы сможем сказать: независимо от деталей моей модели, данные всегда говорят мне одну и ту же историю - историю, в которую мы сможем поверить".

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