Екип изследователи от Германия и Италия откриха доказателства, че сблъсъкът на черни дупки, довел до странна гравитационна вълна през 2019 г., се дължи на уникален набор от обстоятелства.

В своята статия, публикувана в списанието Nature Astronomy, групата описва моделиране и симулиране на условията, които биха могли да доведат до уникалната гравитационна вълна.

Благодарение на проучването на гравитационните вълни - пулсациите в пространство-времето, породени от сблъсъка на черни дупки - изследователите научиха много за тези загадъчни обекти.

В тези гравитационни вълни е кодирана информация за черните дупки: техните маси, формата на вътрешната им спирала една към друга, въртенето им и ориентацията им.

Въз основа на това учените установяват, че повечето от сблъсъците, които са наблюдавали, са били между черни дупки в двойни системи. Двете черни дупки са започнали като двойна система от масивни звезди, които заедно са се превърнали в черни дупки, след което са се завъртели по спирала и са се слели.

От около 90-те открити досега сливания обаче едно се отличава като изключително странно. Открито през май 2019 г., събитието, обозначено като GW19052, излъчва вълни в пространство-времето като никое друго.

"Нейната морфология и структура, подобна на експлозия, са много различни от предишните наблюдения", разказва астрофизикът Росела Гамба (Rossella Gamba) от Университета в Йена, Германия.

"Първоначално събитиеит GW190521 бе анализирано като сливане на две бързо въртящи се тежки черни дупки, които се приближават една към друга по почти кръгови орбити, но неговите особености ни накараха да предположим други възможни интерпретации."

По-специално, кратката и рязка продължителност на сигнала на гравитационните вълни е трудна за обяснение.

Гравитационните вълни се генерират от сливането на две черни дупки, подобно на вълните от камък, пуснат в езеро. Но те се генерират и от двойната спирала, а интензивното гравитационно взаимодействие изпраща по-слаби пулсации, докато двете черни дупки се приближават неизбежно.

"Формата и краткостта - по-малко от една десета от секундата - на сигнала, свързан със събитието, ни карат да изкажем хипотеза за мигновено сливане между две черни дупки, което е станало при липса на спиралната фаза", обяснява астрономът Алесандро Нагар (Alessandro Nagar) от Националния институт по ядрена физика в Италия.

Има повече от един начин да се стигне до гравитационно взаимодействие между двойка черни дупки.

Първият е двете да са били заедно отдавна, може би дори от формирането на малки звезди от един и същ участък на молекулярен облак в космоса.

Другият е, когато два обекта, движещи се в пространството, се разминат достатъчно близо един до друг, за да се засекат гравитационно в така нар. динамична среща.

Гамба и колегите ѝ смятат, че това може да се е случило с GW190521, затова създават симулации, за да проверят хипотезата си. Те сблъскват двойки черни дупки, променяйки параметри като траектория, въртене и маса, за да се опитат да възпроизведат странния сигнал на гравитационните вълни, засечен през 2019 г.

Резултатите им сочат, че двете черни дупки не са започнали в двойна система, а са попаднали в гравитационното влияние една на друга, профучавайки една покрай друга в бясна, ексцентрична примка, преди да се блъснат взаимно и да образуват една по-голяма черна дупка. И нито една от черните дупки в този сценарий не се е въртяла.

"Разработвайки прецизни модели с помощта на комбинация от най-съвременни аналитични методи и компщтърни симулации, установихме, че силно ексцентричното сливане в този случай обяснява наблюдението по-добре от всяка друга хипотеза, изказана преди това", отбелязва астрономът Матео Бреши (Matteo Breschi) от Университета в Йена.

"Вероятността за грешка е 1:4300!"

Този сценарий, казва екипът, е по-вероятен в гъсто населен регион от пространството, като например звезден куп, където подобни гравитационни взаимодействия са по-вероятни.

Това съвпада с предишните открития за GW190521. Една от черните дупки в сливането е измерена с маса около 85 пъти по-голяма от тази на Слънцето.

Според сегашните ни модели черни дупки с маса над 65 слънчеви маси не могат да се образуват от една звезда - единственият начин, по който знаем, че може да се образува черна дупка с такава маса, е чрез сливане между два обекта с по-малка маса.

Работата на Гамба и нейните колеги установява, че масите на двете черни дупки в сблъсъка са около 81 и 52 слънчеви маси; това е малко по-ниско от предишните оценки, но едната от черните дупки все още е извън начина на формиране на ядрото от колапс на една звезда.

Все още не е ясно дали моделите се нуждаят от корекции, но йерархичните сливания - при които по-големи структури се формират чрез непрекъснато сливане на по-малки обекти - са по-вероятни в среда на звезден куп с голяма популация от плътни обекти.

Динамичните срещи между черни дупки се смятат за доста редки и данните за гравитационни вълни, събрани до момента от LIGO и Virgo, изглежда потвърждават това. Въпреки това рядкост не означава невъзможност и новата работа предполага, че GW190521 може да е първата такава, която е открили.

А първи случай означава, че през следващите години може да се появят още. В момента обсерваториите за гравитационни вълни се модернизират и поддържат, но през март 2023 г. ще бъдат включени отново за нови наблюдения. Този път към двата детектора на LIGO в САЩ и детектора Virgo в Италия ще се присъедини KAGRA в Япония за още по-голяма наблюдателна мощност.

Повече открития като GW190521 биха били изключително важни.

Справка: R. Gamba et al, GW190521 as a dynamical capture of two nonspinning black holes, Nature Astronomy (2022). DOI: 10.1038/s41550-022-01813-w, https://arxiv.org/abs/2106.05575 

Източник: 

Two Black Holes Met by Chance, And It Created Something Never Seen Before, ScienceАlert

Black holes in eccentric orbit, University of Jena

Още по темата

17/11/2022

Космос

Ново проучване разкрива, че неутронните звезди са като кутия шоколадови бонбони

19/10/2022

Космос

Преди да се сблъскат, две черни дупки усукват пространство-времето на възли

31/08/2022

Космос

Две свръхмасивни черни дупки ще се сблъскат в следващите 3 години. Какво да очакваме?

08/08/2022

Физика

"Вятърни камбанки" ще използват гравитацията, за да намерят „вятър“ от тъмна материя