Достаточно давно ученые-астрономы предполагали, что катаклизм, возникающий при столкновении двух черных дыр, сопровождается выбросом колоссальной энергии, которая порождает гравитационные волны. И лишь недавно эта теория получила первое практическое подтверждение . Согласно подсчетам, энергия столкновения равна энергии, выделяемой в пространство 10^23 звездами, эквивалентными по всем параметрам Солнцу. Только представьте - энергия 100,000,000,000,000,000,000,000 звезд! И самым главным в этом является то, что вся эта масса энергии выделяется в течение очень короткого промежутка времени, во время нескольких последних витков друг вокруг друга сталкивающихся черных дыр, которые в результате сливаются и образуют одну вращающуюся черную дыру больших размеров.
Таким образом, системы из двух черных дыр являются настоящими космическими бомбами замедленного действия. Таймер этой бомбы зависит от многих параметров, от величины и массы черных дыр, от скорости и размеров начальных орбит их движения. И когда этот таймер срабатывает, возникает мощнейший гравитационный взрыв, эхо которого разносится по Вселенной, сообщая об этом событии всем, кто способен "услышать" гравитационные волны.
Бинарные (двойные) системы черных дыр могут образовываться двумя различными путями. Первым путем является рождение двух сверхмассивных звезд в непосредственной близости друг от друга. Такие двойные звезды являются достаточно распространенными, на их долю приходится от одной третьей до половины от общего количества звезд во Вселенной. Известно, что столь массивные звезды являются и крайне короткоживущими, они быстро "прожигают" свою бурную жизнь, взрываются и умирают в "молодом" для звезд возрасте миллиона лет, оставляя за собой пару черных дыр.
Вторым путем образования пар черных дыр является встреча двух черных дыр, родившихся по отдельности в различных уголках космоса. Это происходит обычно вследствие процесса потери черной дырой своей изначальной потенциальной энергии, которая расходуется на ускорение близлежащих звезд за счет эффекта "гравитационной" рогатки, на притягивание материи из окружающего пространства и другие подобные процессы. В результате потери энергии черная дыра начинает смещаться к центру галактики или скопления галактик, где и происходит встреча с черной дырой, которая уже находится там.
Две связанные черные дыры являются более активным космическим объектом, нежели одна черная дыра. В большинстве случаев такие черные дыры имеют массу от 20 до 100 раз превышающие массу солнца. Тем не менее, они очень эффективно очищают от звезд окружающее пространство или поглощая их материю или "расшвыривая" их дальше в космос своими гравитационными возмущениями. За счет высокой активности двойные системы быстро эволюционируют, их черные дыры набирают массу, что приводит к изменениям скоростей и траекторий их движения.
Каждый шаг эволюции двойных систем черных дыр приводит к потере ими кинетической и потенциальной энергии, что заставляет черные дыры все больше и больше приближаться друг к другу. И в результате этот процесс становится все быстрей и быстрей, что ведет к неотвратимому столкновению. Процесс сближения может значительно ускориться, когда одна из черных дыр-компаньонов получает дополнительный гравитационный "пинок" от звезды или другого скопления материи, перемещающегося в пространстве неподалеку.
Вращение двух черных дыр, вне зависимости от причин образования пары, уже само по себе создает небольшие гравитационные волны. А миллиарды таких пар создают во Вселенной постоянный фон гравитационных волн, сигнал которых носит совершенно случайный характер. Однако, окончательное слияние двух черных дыр порождает такие гравитационные волны, которые на общем фоне сопоставимы с волнами цунами по отношению к обычным морским волнам.
В настоящее время только двойные системы черных дыр и порождаемые ими гравитационные волны представляют собой интерес для ученых. Они походят на своего рода космические "капсулы времени", гравитационные взрывы которых несут в себе массу полезной информации о прошлом, которая может быть расшифрована и которая может пролить свет на некоторые фундаментальные загадки Вселенной. И лишь недавно человечество получило в свое распоряжение инструмент, гравитационную обсерваторию LIGO, который позволяет
Если составить что-то вроде «рейтинга одиночества» небесных, да и не только небесных объектов, на первом месте с большим отрывом окажутся звёзды. При типичных размерах порядка миллиона километров они находятся на характерных расстояниях в триллионы и десятки триллионов километров. Будь звёзды человеческих размеров, в масштабе эти герои жили бы на расстояниях в тысячи и десятки тысяч километров друг от друга, и на всей нашей Земле умещались бы лишь единицы светил.
Попробуй уподобить людям планеты Солнечной системы, и их будут разделять уже лишь километры и десятки километров. Не то чтобы развитое сообщество, но примерно такова средняя плотность населения в российской Сибири выше 55-й параллели или в Австралии вдали от населённого восточного побережья континента.
А вот большинство галактик во Вселенной живут в откровенной тесноте.
Среднее расстояние между галактиками - лишь на порядок-два больше их собственных размеров. Это плотность мегаполисов. Например, в Москве на среднего человека приходится всего 100 квадратных метров площади - не жилой, а общей, вместе с заводами, офисами, промзонами, дорогами и зелёными парками; понятно, что от многоэтажного жилья в таких случаях никуда не деться.
Рост через слияния
При такой плотности галактики должны то и дело сталкиваться в пространстве, и астрономы действительно наблюдают очень много таких столкновений. Правда, в реальности удару подвергается только галактический межзвёздный газ - облака, которые отлично чувствуют друг друга благодаря удерживающим их магнитным полям. Звёзды почти не сталкиваются (они крайне редко разбросаны в пространстве), не сталкивается и тёмная материя - её частицы, возможно , и вовсе друг друга не замечают.
Тем не менее взаимное притяжение галактик заставляет их после первого сближения вновь и вновь возвращаться и падать сквозь друг друга. Как правило, через десятки и сотни миллионов лет, после нескольких таких взаимных «пролётов» возникает новое равновесное состояние, и вместо двух галактик мы видим одну, более крупную звёздную систему.
Сейчас учёные полагают, что именно таким образом выросли большинство крупных галактик, с одним-единственным уточнением - как правило, в слиянии есть доминирующий игрок, который поглощает игрока субдоминантного. Но бывают и исключения - например, через несколько миллиардов лет наш собственный Млечный Путь должен слиться с Туманностью Андромеды. Обе эти галактики - гиганты, правящие бал в Местной группе, и выбрать здесь главного сложно.
А что же происходит при слиянии со сверхмассивными чёрными дырами, которые расположены в центре каждой уважающей себя крупной галактики?
Если верить теории, они должны проседать к единому центру появляющейся галактики и со временем тоже сливаться. Более того, до своих гигантских размеров они вырастают не только благодаря пожиранию звёзд и газа из окружающего пространства, но и за счёт слияний (относительный вклад двух процессов остаётся предметом споров). Вот только двойных сверхмассивных дыр, готовых к слиянию в обозримом по астрономическим меркам будущем, мы почти не видим.
Дыры-пары
Известные астрономам пары сверхмассивных чёрных дыр вообще можно пересчитать по пальцам одной руки, даже если одного из них вы лишились на производстве. Это заметное в рентгеновских лучах двойное активные ядра галактик NGC6240 и 3C75, блазар OJ 287 (главная компонента этой пары, возможно, является самой массивной среди известных чёрных дыр), а также квазар SDSS J0927+2943.
Все эти объекты - активные галактические ядра, которые ярко светят за счёт нагрева газа, падающего на сверхмассивную чёрную дыру, до огромных температур. Так что чёрные дыры там точно есть. Однако если в относительно близкой (400 миллионов световых лет) NGC6240 мы напрямую видим два ядра, то выводы о двойственности в куда более далёких блазаре OJ287 и квазаре SDSS J0927+2943 сделаны по достаточно тонким эффектам. Так что даже сами авторы за такую интерпретацию вряд ли дадут хоть палец на отсечение.
Теперь можно смело загибать пятый палец - для квазара SDSS J1537+0441.
Как утверждают Тодд Боросон и Тод Лауэр из американской Национальной оптической астрономической обсерватории, эта пара чёрных дыр гораздо теснее, надёжнее и интереснее. SDSS J1537+0441 находится в 4,1 миллиардах световых лет от нас (z=0,38) в направлении на созвездие Змеи. Квазар состоит из двух чёрных дыр, кружащихся на расстоянии не более 1 светового года друг от друга. Соответствующая учёных опубликована в последнем номере Nature.
Боросон и Лауэр разработали собственную методику поиска «подозрительных» объектов, которая автоматически выделяет квазары со спектрами, непохожими на спектры всех остальных членов выборки. Астрономы применили метод к набору из 17,5 тысяч спектров высокого качества, полученных для относительно близких объектов, расположенных не дальше чем на полпути к краю видимой Вселенной (6,3 млрд. световых лет, z=0,7). Вычисления показали всего два объекта, резко отличающихся от всех остальных.
После этого астрономы подробно изучили спектр этого объекта и выяснили, что так резко выделило его среди всех остальных.
Один раз узко, два раза - широко
У квазаров бывают спектральные линии двух типов - узкие и широкие. Узкие появляются вдали от чёрной дыры, на расстояниях в несколько световых лет за счёт нагрева окружающего газа мощным излучением квазара. Широкие же образуются гораздо ближе к дыре, на расстояниях в сотые доли светового года. Температуры здесь ещё выше, а частицы движутся ещё быстрее, что и расширяет линии за счёт эффекта Доплера (каждый атом излучает и поглощает на своей собственной, чуть смещённой длине волны, так что линия в целом размазывается).
У квазара SDSS J1537+0441 оказалось две системы широких линий, смещённых друг относительно друга в спектре на расстояние, которое соответствует относительной скорости 3600 км/с. А вот система узких линий - одна. Всё выглядит так, будто в центре галактики, в пределах единой области узких линий размером в несколько световых лет, вокруг общего центра масс движутся две чёрные дыры, каждая со своей областью широких линий. У SDSS J0927+2943 было две смещённых друг от друга системы узких линий, так что компоненты этой двойной гораздо дальше друг от друга, чем в SDSS J1537+0441.
Поскольку по эффекту Доплера можно померить не полную скорость, а лишь её компонент вдоль луча зрения, 3600 км/с - лишь нижняя граница реальной полной пространственной скорости. Наиболее вероятное значение последней - около 6 тысяч км/с, хотя может быть и ещё больше. Массы двух чёрных дыр учёные оценили по размеру широкой линии H β ; получилось 800 миллионов и 20 миллионов масс Солнца.
Зная массы чёрных дыр и полную скорость, можно определить все остальные параметры системы - расстояние между компонентами и период обращения системы. Поскольку скорость падает с расстоянием, минимальной (наблюдаемой по эффекту Доплера) скорости соответствует максимально возможное расстояние.
Получается что-то около 1 светового года - в четыре раза ближе, чем от Солнца до ближайшей звезды (и в 4 раза больше, чем расстояние между компонентами OJ287, если верить той интерпретации вспышек блазара, что предлагает Маури Валтонен). Для скорости в 6000 км/с получается уже 0,3 светового года. А может быть и ещё меньше, если орбита двойной ближе к картинной плоскости.
Это означает, что период обращения двух чёрных дыр составляет порядка 100 лет. Может, и меньше, но точно не больше 500 лет. В любом случае
уже в ближайшие годы астрономы должны заметить относительное перемещение линий в спектре за счёт изменения вектора скорости при орбитальном вращении системы.
Это будет очень строгим тестом той интерпретации данных, что предложили Боросон и Лауэр, и если она подтвердится, позволит очень точно установить параметры двойной системы. Пока альтернативная интерпретация всё ещё возможна: например, авторы оценивают шансы наложения спектров двух квазаров, случайно оказавшихся на одном луче зрения, как 1:300 (в целом по выборке). Не то чтобы совсем невозможное событие, хотя отсутствие второй системы узких линий в этом случае потребует дополнительных объяснений.
В мёртвой зоне
Двойная система SDSS J1537+0441 будет особенно интересна астрономам, поскольку находится на очень интересном этапе своего развития - в своего рода «мёртвой зоне» орбитальной эволюции. Эти чёрные дыры уже достаточно близки друг к другу, чтобы вокруг них было недостаточно звёзд, обеспечивающих дальнейшее сближение за счёт динамического трения . В то же время они ещё слишком далеки, чтобы терять значительное количество энергии и сближаться за счёт излучения гравитационных волн.
Как чёрным дырам сблизиться дальше и в дальнейшем слиться? Возможно, важную роль играет падающий на две дыры газ. Возможно, энергию орбитального движения уносят подходящие слишком близко к двойной звёзды, которые, в зависимости от начальной конфигурации, пара чёрных дыр может не только захватить и проглотить, но и выбросить с огромной скоростью. Изучение SDSS J1537+0441 должно помочь прояснить этот вопрос.
А по-хорошему разобраться в эволюции чёрных дыр, выяснить, насколько часто они сливаются и что при этом происходит, мы сможем, наверное, не раньше, чем на орбиту отправится лазерная обсерватория LISA для наблюдения гравитационных волн. Их двойные чёрные дыры должны активно испускать на всех этапах эволюции - в том числе и при непосредственном слиянии. Похоже, правда, что LISA на орбите мы увидим не раньше, чем через 15-20 лет. И это число становится такой же константой, как 8 лет - срок, через который нам обещают зарегистрировать гравитационные волны на Земле. Почему-то от года к году он не уменьшается.
Ваши вопросы затрагивают глубинные физические основы. В двух словах на них не ответишь, будет много непонятного. Но попробую ответить популярно, как я это понимаю. Это не общепризнанное пояснение. Поясню почему.
1. Наука считает скорость света максимально возможной. Да, она значительна, целых триста тысяч километров в секунду, но для космических масштабов ничтожно мала. Например, квант света от поверхности Солнца летит к нам целых восемь минут. Но мы-то третья планета от Солнца, а что говорить о планетах-гигантах, которые гораздо дальше? Вот и получается, что свет может достигать планет через минуты и часы. За это время планеты, несущиеся со скоростью десятков и сотен километров с секунду, успевают значительно сместиться на орбите. Это не так много в сравнении с удалением от звезды, но достаточно, чтобы оказать влияние на силу гравитации, которая должна распространяться с той же скоростью, что и свет. Так вот, если бы так было, то Солнечная система распалась бы, не просуществовав и сотни лет. Об этом шли дебаты ещё во времена Ньютона. Ведь его закон тяготения предполагает, что силы тяготения действуют мгновенно, а не со скоростью света! Это первое противоречие между теорией и практикой.
2. Второе противоречие заключается в природе чёрной дыры. Да, чёрные дыры не вымысел, это подтверждает динамика движения звёзд в Стрельце*. Здесь звёзды (в центре Млечного пути – нашей галактики) движутся с огромными скоростями вокруг невидимого центра, которым считается чёрная дыра. Центр, ядро каждой галактики – чёрная дыра. Но как чёрная дыра может обладать силой тяготения, если за пределы этого объекта не может вырваться никакая энергия, включая тяготение?
Вот по этим и другим подобным причинам (а их гораздо больше) приходится искать другой подход, «иное понимание» гравитации. И получается, что гравитация – это следствие других причин, не имеющих отношения к массам тел. Напротив, массы тел (включая и чёрные дыры), являются следствием таких причин. Если сказать коротко, что такое гравитация, - это давление потока среды в точку пространства, которую можно назвать сингуляром. Сингуляр – это столь значительное «искривление» пространства и времени, что превращают его в бездонную пропасть, в которую устремляется среда из-за разности своей плотности за пределами сингуляра и внутри сингуляра. Так что чёрная дыра – это сингуляр, в который устремлена окружающая среда, тянущая всё на своём пути. Именно это и воспринимается как сила тяготения.
Чёрная дыра образуется за счёт локального разряжения плотности среды. Не буду вдаваться в причины, скажу лишь, что это явление не редкое. Так как среда – это физический вакуум, заполняющий всё пространство. При этом он очень неспокоен из-за флуктуации и аннигиляции в нём виртуальных частиц и античастиц. Мы живём в этой среде, она нас пронизывает, но не чувствуем всего этого, так как всё происходит на микроскопическом уровне элементарных частиц. Но вот чёрные дыры – это выходцы из этого мира, разросшиеся до космических размеров.
Вот такой «краткий» ответ на вопросы о гравитации. Я здесь на сайте на эту тему откликался не раз. Можете поискать и другой материал, если это интересно.
P.S. Это ответ на вопросы dzeta. Вставил не в тот пост, извините...
Очень хороший вопрос.
Во-первых, на данный момент нет уверенности в том, что существуют черные дыры в Шварцшильдовском или Керровском смысле. Более-менее достоверно известно, что существуют релятивистские компактные несветящиеся массивные объекты, более компактные, чем нейтронные звезды, но никто не сказал что это именно черные дыры в том смысле, в котором они существуют в общей теории относительности Эйнштейна (ОТО). Поэтому строго говоря те наблюдаемые объекты (Лебедь X-1, центр Галактики и т.д.) которые обычно называют черными дырами, правильно называть кандидатами в черные дыры. Несмотря на то, что на данный момент ОТО описывает все наблюдательные данные для сравнительно нормальных гравитационных полей, экстраполяция ОТО на настолько экстремальные ситуации не очень правомерна. Кроме того, насколько я знаю, строгого консенсуса о том, как возникают черные дыры, в ОТО не существует (в этот момент нарушается топология пространства, это не очень хорошо).
Именно поэтому предсказать о том, что именно будет при слиянии черных дыр (а это примерно такая же проблема, как и рождение новой) проблематично.
Тем не менее на данный момент известны катаклизмические события -- гамма-всплески -- точная природа которых на данный момент не установлена. Наблюдается это как короткий, порядка минуты, импульс гамма-излучения откуда-то из дальнего космоса, более дальнего, чем местное сверхскопление галактик. Причем полная энергия этого события очень велика. Обычно называется слияние нейтронных звезд, но это могут быть и черные дыры.
Теперь ответ на вопрос, а как они вообще сталкиваются. Ведь Солнце, например, ни с чем никогда не сталкивалось. Дело в том, что как минимум треть звездных систем имеет как минимум две звезды, а треть от них -- три. В процессе эволюции достаточно массивные звезды становятся нейтронными звездами или черными дырами. Далее релятивистские эффекты излучения гравитационных волн, в точности как предсказано ОТО, уменьшают энергию системы и, соответственно, остатки звезд сближаются (измерено на двойных пульсарах, особом режиме поведения нейтронных звезд). После этого остатки звезд могут слиться.
UPDATE. Ну и да, гравитационные волны будут, теперь уже точно подтверждено.
Александр,
Это могут быть какие-то другие, еще не предсказанные объекты.
Дело в том, что сейчас существует много расширений ОТО, у которых в экстремальных ситуациях другие решения. Например, будет радиус другой. Или будет магнитное поле. Или между ними можно будет перемещаться по типу кротовых нор. Или не будет существовать именно дыра. Никто не знает.
Утверждать, что обнаружена непосредственно керровская или шварцшильдовская черная дыра преждевременно, потому что пока очень мало данных. Реально у нас есть кривые блеска таких объектов как Лебедь X-1 или траектории звезд вблизи галактического центра, но не непосредственно наблюдения черной дыры.
Когда экспериментально докажут существование черных дыр такими, какими их описывает ОТО, за это дадут нобелевку. А если они вдруг окажутся не такими, как их описывает ОТО, то это вообще будет большая сенсация.
Ответить
Прокомментировать
Исследователи из Калифорнийского университета в Санта-Крус (UCSC) считают, что облака пыли, а не двойные черные дыры, могут объяснить особенности, обнаруженные в активных галактических ядрах (AGNs). Результаты своей работы они опубликовали в издании «Ежемесячные записи Королевского астрономического сообщества».
У многих крупных галактик есть AGN — небольшая яркая центральная область, работающая от материи, вращающейся в сверхмассивной черной дыре. Когда эти черные дыры энергично поглощают вещество, они окружены горячим быстродвижущимся газом, известным как «область широкой линии» (ее так называют, потому что спектральные линии из этой области расширяются быстрым движением газа).
Выбросы из этого газа является одним из лучших источников информации о массе центральной черной дыры и о том, как она растет. Однако природа этого газа до сих пор плохо изучена. Составление достаточно простых моделей навела некоторых астрофизиков на мысль о том, что многие AGN могут иметь не одну, а две черные дыры.
Новое исследование возглавил Мартин Гаскелл, научный сотрудник по астрономии и астрофизике в UCSC. Вместо того, чтобы ссылаться на две черные дыры, он объяснил большую часть кажущейся сложности и изменчивости эмиссий широкополосной области как результат небольших облаков пыли, которые могут частично скрывать глубинные области AGN.
«Мы показали, что многие загадочные свойства активных галактических ядер могут быть объяснены этими маленькими пыльными облаками, которые значительно меняют картину того, что мы видим», — сообщил Гаскелл.
Соавтор исследования Питер Харрингтон, аспирант UCSC, который начал работу над проектом в качестве бакалавра, объяснил, что газ, вращающийся по направлению к центральной черной дыре галактики, образует плоский «аккреционный диск», а перегретый газ на аккреционном диске в свою очередь испускает интенсивное тепловое излучение. Часть этого света «перерабатывается» (поглощается и меняет излучение) водородом и другими газами, циркулирующими над аккреционным диском в области широкой линии. Выше и дальше — это область пыли.
«Как только пыль пересекает определенный порог, она подвергается сильному излучению от аккреционного диска», — сказал Харрингтон.
Ученые уверены, что это излучение настолько интенсивное, что оно удаляет пыль с диска, что приводит к компульсивному оттоку пылевых облаков, начинающихся с внешнего края широкополосной области.
Эффект пылевых облаков на испускаемом свете заключается в том, чтобы свет, исходящий из-за них, выглядел более слабым и красным, так же, как и атмосфера Земли заставляет Солнце выглядеть более плавным и красным на закате. Гаскелл и Харрингтон разработали компьютерный код для моделирования эффектов этих пылевых облаков с целью наблюдения за широкополосной областью.
Оба ученых также указывают на то, что, включив пылевые облака в свою модель, можно воспроизводить многие особенности излучения из широкополосного региона, которые давно уже волновали астрофизиков. Вместо газа, имеющего изменяющееся асимметричное распределение, которое трудно объяснить, газ просто находится в однородном симметричном турбулентном диске вокруг черной дыры. Очевидные асимметрии и изменения связаны с тем, что пылевые облака проходят перед широкой линией и заставляют регионы за ними выглядеть слабее и краснее.
«Мы считаем, что это гораздо более естественное объяснение асимметрий и изменений, нежели другие более экзотические теории, такие как бинарные черные дыры, которые ученые объясняли эти явления ранее», — подвел итог Гаскелл. «Наше объяснение позволяет нам сохранить простоту стандартной модели AGN материи, вращающейся на орбите одной черной дыры».
нравится(0 ) не нравится(0 )