Без додаткових даних, походження чорної діри може бути “закручене” у будь-який напрямок

Дослідження показує, що сучасні вимірювання чорних дір недостатні для того, щоб зрозуміти, в яких умовах у Всесвіті формуються невидимі гіганти.

Про це розповідають у Массачусетському технологічному інституті (MIT), передають OstanniPodii.com.

Підказки про походження чорної діри можна знайти у тому, як вона обертається навколо своєї осі. Це особливо справедливо для бінарів, у яких дві чорні діри кружляють близько одна до одної перед злиттям. Обертання й нахил відповідних чорних дір безпосередньо перед їхнім злиттям можуть показати, чи виникли невидимі гіганти зі спокійного галактичного диска, чи з більш динамічного скупчення зірок.

Астрономи сподіваються з′ясувати, яка з цих історій походження більш імовірна, проаналізувавши 69 підтверджених бінарів, виявлених на сьогодні. Але нове дослідження показує, що наразі поточного каталогу бінарів недостатньо, щоб розкрити щось фундаментальне про те, як утворюються чорні діри.

У дослідженні, опублікованому в журналі Astronomy and Astrophysics Letters, фізики MIT показують, що коли всі відомі бінари та їхнє обертання обробляються в моделях формування чорних дір, висновки можуть мати абсолютно різний вигляд, залежно від конкретної моделі, використовуваної для інтерпретації даних.

Таким чином, походження чорної діри може бути "закручене" по-різному, залежно від припущень моделі про те, як влаштований Всесвіт.

"Коли ви міняєте модель, робите її гнучкішою або робите інші припущення, ви отримуєте іншу відповідь про те, як чорні діри утворилися у Всесвіті", - каже співавторка дослідження Сільвія Бісковеану, аспірантка MIT, яка працює в лабораторії LIGO. "Ми показуємо, що людям потрібно бути обережними, тому що ми ще не досягли тієї стадії з нашими даними, коли ми можемо вірити тому, що говорить нам модель".

Співавторами дослідження є Колм Талбот, аспірант MIT, і Сальваторе Вітале, доцент фізики та співробітник Інституту астрофізики й космічних досліджень імені Кавлі при MIT.

Розповідь про два початки

Вважається, що чорні діри у бінарних системах виникають одним із двох шляхів.

Перший - через "польову еволюцію бінара", коли дві зорі еволюціонують разом і зрештою вибухають у наднових, залишаючи по собі дві чорні діри, які продовжують кружляти у бінарній системі. У цьому сценарії чорні діри повинні мати відносно вирівняні оберти, оскільки вони мали час - спершу як зорі, а потім як чорні діри - притягнути й перетягнути одна одну в однакові орієнтації. Якщо чорні діри бінара мають приблизно однакове обертання, вчені вважають, що вони повинні були розвиватися у відносно спокійному середовищі, наприклад, у галактичному диску.

Бінари чорних дір також можуть утворюватися внаслідок "динамічної збірки", коли дві чорні діри розвиваються окремо, кожна зі своїм власним нахилом та обертанням. У результаті деяких екстремальних астрофізичних процесів чорні діри врешті-решт зближуються досить близько, щоб утворити бінарну систему. Така динамічна пара, найімовірніше, відбудеться не в тихому галактичному диску, а в більш щільному середовищі, наприклад, у кульовому скупченні, де взаємодія тисяч зірок може зіштовхнути дві чорні діри разом. Якщо чорні діри бінара мають випадково орієнтовані оберти, то, найімовірніше, вони утворилися у кульовому скупченні.

Але яка частка бінарів формується одним шляхом, а яка - іншим? Відповідь, на думку астрономів, має лежати в даних, зокрема, у вимірах обертання чорних дір.

На сьогоднішні астрономи обчислили обертання чорних дір у 69 бінарах, які були виявлені мережею гравітаційно-хвильових детекторів, включно з LIGO в США та його італійським аналогом Virgo. Кожен детектор вислуховує ознаки гравітаційних хвиль - дуже слабких реверберацій у просторі-часі, які залишаються після екстремальних астрофізичних подій, таких як злиття масивних чорних дір.

Під час виявлення кожного бінарного об′єкта астрономи оцінили властивості відповідної чорної діри, включно з її масою та обертанням. Вимірювання обертання вони включили у загальноприйняту модель утворення чорних дір і виявили ознаки того, що бінарні діри можуть мати як краще, тобто вирівняне обертання, так і випадкове. Тобто, Всесвіт може виробляти бінари як у галактичних дисках, так і в кульових скупченнях.

"Але ми хотіли дізнатися, чи достатньо у нас даних, щоб провести таку відмінність", - каже Бісковеану. "І виявилося, що все дуже заплутано й невизначено, і це складніше, ніж здається".

Обертання даних

У своєму новому дослідженні команда MIT перевірила, чи призведуть одні й ті самі дані до однакових висновків під час опрацювання в рамках кількох різних теоретичних моделей формування чорних дір.

Спочатку команда відтворила вимірювання LIGO обертань у широко використовуваній моделі утворення чорних дір. Ця модель припускає, що частина бінарів у Всесвіті вважає за краще створювати чорні діри з вирівняними обертаннями, тоді як інші бінари мають випадкові обертання. Вони виявили, що дані узгоджуються з припущеннями цієї моделі та показують пік, де, згідно з моделлю, має бути більше чорних дір з однаковими обертаннями.

Потім вони трохи підкоригували модель, змінивши її припущення таким чином, що вона передбачила трохи іншу орієнтацію бажаних обертань чорних дір. Коли вони обробили ті самі дані в цій зміненій моделі, вони виявили, що дані змістилися відповідно до нових передбачень. Подібні зрушення відбулися також у 10 інших моделях, кожна з яких мала різні припущення про те, як воліють обертатися чорні діри.

"Наша стаття показує, що результат повністю залежить від того, як ви моделюєте астрофізику, а не від самих даних", - каже Бісковеану.

"Нам потрібно більше даних, ніж ми вважали, якщо ми хочемо зробити твердження, яке не залежить від астрофізичних припущень, які ми робимо", - додає Вітале.

Наскільки більше даних знадобиться астрономам? За оцінками Вітале, після відновлення роботи мережі LIGO на початку 2023 року прилади виявлятимуть по одній новій бінарній чорній дірі кожні кілька днів. Протягом наступного року це може додати до даних ще сотні вимірювань.

"Вимірювання обертань, які ми маємо зараз, дуже невизначені", - каже Вітале. "Але в міру накопичення великої їхньої кількості ми зможемо отримати повнішу інформацію. Тоді ми зможемо сказати: незалежно від деталей моєї моделі, дані завжди говорять мені одну й ту саму історію - історію, в яку ми зможемо повірити".

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