Розширення Всесвіту безпосередньо впливає на зростання чорних дір, припускає нове дослідження

Протягом останніх шести років обсерваторії гравітаційних хвиль виявляли злиття чорних дір, чим підтверджували головне передбачення теорії гравітації Альберта Ейнштейна. Але є проблема — багато з цих чорних дір несподівано великі.

Тепер група дослідників з Гавайського університету в Маноа, Університету Чикаго та Мічиганського університету в Анн-Арборі запропонувала нове розв′язання цієї проблеми: чорні діри зростають разом з розширенням Всесвіту, розповідається у пресрелізі Гавайського університету в Маноа (UH Mānoa).

З моменту першого спостереження злиття чорних дір, проведеного за допомогою Лазерної інтерферометричної гравітаційно-хвильової обсерваторії (LIGO) у 2015 році, астрономи неодноразово дивувалися їхніми великими масами. Хоча вони не випромінюють світло, злиття чорних дір спостерігаються завдяки випусканню ними гравітаційних хвиль — брижів в тканині простору-часу, які були передбачені загальною теорією відносності Ейнштейна. Початково фізики очікували, що чорні діри будуть мати масу, меншу за приблизно 40 сонячних мас, оскільки чорні діри, що зливаються, виникають із масивних зірок, які не можуть утримувати самі себе, якщо вони занадто великі.

Обсерваторії LIGO та Virgo, однак, знайшли багато чорних дір з масами, що перевищують масу 50 Сонць, а деякі з них досягають 100 Сонць. Було запропоновано чимало сценаріїв утворення таких великих чорних дір, але жоден сценарій не зміг пояснити різноманітність спостережуваних злиттів чорних дір, і немає згоди щодо того, яка комбінація сценаріїв утворення є фізично життєздатною. Нове дослідження, опубліковане в Astrophysical Journal Letters, є першим, яке показує, що як великі, так і малі маси чорних дір можуть бути результатом одного шляху, коли чорні діри набирають масу від розширення самого Всесвіту.

Астрономи зазвичай моделюють чорні діри всередині Всесвіту, який не може розширюватися. «Це припущення спрощує рівняння Ейнштейна тому що Всесвіті, який не розширюється, має набагато менше того, за чим потрібно стежити», — сказав Кевін Крокер, професор кафедри фізики та астрономії UH Mānoa. «Але тут є компроміс: прогнози можуть бути розумними лише протягом обмеженого інтервалу часу».

Оскільки окремі події, які можна виявити за допомогою LIGO—Virgo, тривають лише кілька секунд, при аналізі будь-якої окремої події це спрощення є розумним. Але самі злиття потенційно відбуваються мільярди років. Протягом часу між утворенням пари чорних дір та їх остаточним злиттям Всесвіт глибоко розростається. Якщо уважно розглянути більш тонкі аспекти теорії Ейнштейна, то з’являється разюча можливість: маси чорних дір можуть зростати разом із Всесвітом – явище, яке Крокер та його команда називають космологічним зчепленням.

Найвідомішим прикладом космологічно зчепленого матеріалу є саме світло, яке втрачає енергію в міру зростання Всесвіту. «Ми вирішили розглянути протилежний ефект», — сказав співавтор дослідження та професор фізики й астрономії UH Mānoa Дункан Фарра. «Що б спостерігали LIGO—Virgo, якби чорні діри були космологічно зчепленими й отримували енергію без потреби споживати інші зорі чи газ?»

Для перевірки цієї гіпотези дослідники симулювали народження, життя та смерть мільйонів пар великих зірок. Будь-які пари, де обидві зорі загинули, утворюючи чорні діри, потім були пов’язані з розміром Всесвіту, починаючи з моменту їх смерті. У міру того, як Всесвіт продовжував зростати, маси цих чорних дір зростали, коли вони по спіралі наближалися одна до одної. У результаті було не тільки більше масивних чорних дір, коли вони злилися, але також набагато більше злиттів. Коли дослідники порівняли дані LIGO—Virgo зі своїми прогнозами, вони досить добре узгодилися. «Повинен сказати, що спочатку не знав, що й думати», - каже співавтор дослідження та професор Мічиганського університету Грегорі Тарле. «Це була настільки проста ідея, я був здивований, що вона так добре спрацювала».

На думку дослідників, ця нова модель важлива, оскільки не вимагає жодних змін у нашому поточному уявленні про формування, еволюцію або смерть зірок. Узгодження між новою моделлю та нашими поточними даними походить від простого визнання того, що реалістичні чорні діри не існують у статичному Всесвіті. Однак дослідники обережно підкреслили, що таємниця масивних чорних дір LIGO-Virgo далека від розгадки.

«Багато аспектів злиття чорних дір не відомі в деталях, наприклад, домінантне середовище формування та складні фізичні процеси, які зберігаються протягом усього їхнього життя», – сказав співавтор дослідження та стипендіат Хаббла від NASA доктор Майкл Зевін. «Хоча ми використовували симульовану зоряну популяцію, яка відображає дані, які ми маємо на цю мить, є багато простору для маневру. Ми бачимо, що космологічне зчеплення є корисною ідеєю, але ми поки не можемо виміряти силу цього зчеплення».

Співавтор дослідження та професор фізики й астрономії UH Mānoa Куртіс Нішимура висловив свій оптимізм з приводу майбутніх випробувань цієї нової ідеї: «Оскільки обсерваторії гравітаційних хвиль продовжуватимуть покращувати чутливість протягом наступного десятиліття, збільшення кількості та якості даних дозволить провести новий аналіз. Це буде виміряно досить скоро».

! Читайте ще цікаві новини про космос на сайті, або слідкуйте за ними на Facebook.