Решението на "проблема с последния парсек" за сблъсъка на черни дупки е трета черна дупка

Ваня Милева Последна промяна на 15 февруари 2024 в 00:00 6104 0

Концепция на художник за сблъскващи се черни дупки.

Кредит Daniel Arrhakis (CC BY-NC 2.0 DEED)

Концепция на художник за сблъскващи се черни дупки.

Черните дупки могат да се сблъскват една с друга и след това да се сливат и това е факт, защото от 2015 г. насам са наблюдавани десетки сблъскващи се черни дупки, събития, "оповестени" от гравитационните вълни, засечени съответно с LIGO и Virgo в САЩ и Италия.

Съществува обаче проблем със сблъсъка на черните дупки, особено свръхмасивните черни дупки в ядрата на галактиките: на теория те не биха могли да се сблъскат една с друга заради т.нар. "проблем с последния парсек".

Накратко, това означава следното: когато свръхмасивни черни дупки в две галактики, които се сблъскват, се приближават една към друга, те се приближават на разстояние от около 1 парсек (това е 3,2 светлинни години) и след това се забавят и остават странно неподвижни, достатъчно раздалечени, според изчисленията.

GIF на позицията на Вояджър 1 (магента) между 5 септември 1977 г. и 30 декември 1981 г., показваща изстрелването му от Земята (тъмно синьо) и гравитационни взаимодействия с Юпитер (светло синьо) и Сатурн (зелено). Кредит: Phoenix7777 / Wikimedia Commons

Обяснението изглежда просто - черните дупки предават енергията си на газовете и звездите между тях, което води до изхвърляне на материя с висока скорост в процеса на гравитационната маневра и загуба на енергия заради динамичното триене. Много звезди се катапултират извън галактиката чрез взаимодействие с черните дупки, точно както Вояджър 1 и 2 бяха катапултирани извън слънчевата система през 70-те години след "гравитационна помощ" от Юпитер (вижте анимацията вдясно).

Обемът на пространството, в който се осъществява този процес, се компресира, докато орбитата на дупките намалява и в този момент, когато разстоянието между черните дупки е около 1 парсек, между тях има много малко материя. Динамичното триене забавя черните дупки достатъчно, за да образуват свързана двойна система. По-нататъшното динамично триене краде орбитална енергия от двойката, докато те обикалят в рамките на около парсек една от друга в стабилна орбита и в рамките на милиарди години (повече от възрастта на Вселената) не могат да се приближат достатъчно близо, за да се слеят.

Да въведем трета черна дупка!

Според астрономите Мохамад Сайеб (Mohammad Sayeb), Лаура Блеча (Laura Blecha) и Люк Золтан Кели (Luke Zoltan Kelley) от Университета на Флорида това може да осигури решението на проблема. Такава трета черна дупка значително би попречила на стабилността на орбитите на другите черни дупки и това би могло да осигури решение на проблема с финалния парсек.

Единственият въпрос е доколко е вероятно да има тройки свръхмасивни черни дупки. За да разберат, Сайеб и колегите му са използвали добре симулацията на Вселената на Illustris, която показва как се е развила Вселената през последните 13,5 милиарда години. Изглежда, че има три възможни форми на тройки черни дупки:

  • "Неуспешни тройки", където се получава сливане на първоначалната двойка с третата черна дупка, но орбиталният радиус на новата черна дупка никога не е равен на този на съществуващата двойка;
  • "Слаби тройки", където тройната система се образува на разстояние повече от 100 парсека. Третата свръхмасивна черна дупка кара първоначалната двойна система да се колебае силно по орбитален наклон и ексцентричност, затихвайки бързо до сливането.
  • "Силни тройки", където третата черна дупка "влиза" в оригиналната двойка на разстояние по-малко от 100 парсека (~326 светлинни години). В случая взаимодействието на трите тела е още по-хаотично и непредвидимо. Взаимодействия от този тип често причиняват най-масивната свръхмасивна черна дупка да бъде изхвърлена изцяло от системата, докато другите две се сливат, оставяйки я като скитаща черна дупка.

Кредит: Sayeb et al.

Проведени са симулации за всички варианти (вижте изображението по-горе с различни сценарии) и резултатът е, че 22% от сблъсъците на черни дупки ще доведат до тройна система и че те действително ще се слеят в рамките на възрастта на Вселената, докато 71% от тези сблъсъци без третата черна дупка няма да доведат до сливане в рамките на възрастта на Вселената.

И по този начин тройки от свръхмасивни черни дупки биха могли да осигурят решение на проблема с последния парсек.

Настоящият документ показва, че сливания в тройни системи трябва да управляват голяма част от фона на стохастичните гравитационни вълни, както и събитията, които се очаква да бъдат наблюдавани с LISA.

Очаква се сливанията на свръхмасивни черни дупки да бъдат едни от гравитационно-вълновите събития с най-висока енергия във Вселената и те трябва да ни научат много за това как работят свръхмасивните черни дупки и тяхната среда.

Хубаво е, че тези сливания наистина се случват.

Справка: ‘MBH binary intruders: triple systems from cosmological simulations‘; Mohammad Sayeb, Laura Blecha, Luke Zoltan Kelley. http://arxiv.org/abs/2311.18228 

Източник: A third black hole enters the fray: Resolving the final parsec problem with triple MBH systems, Katherine Lee, Astrobites

Най-важното
Всички новини
За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !