Вокруг чудовищной чёрной дыры более мелкие чёрные дыры сталкиваются странным образом

В этой небесной "бильярдной" игре царитхаос.

Возьмите три чёрные дыры и бросьте их в аккреционный диск, окружающий сверхмассивную чёрную дыру, и всё станет очень странным и очень быстрым.

Таков вывод нового исследования, посвящённого особенно странному гравитационно-волновому событию, которое учёные наблюдали в мае 2019 года и до сих пор пытаются понять. Гравитационные волны – это рябь в пространстве-времени, вызванная, среди прочих драматических событий, слиянием чёрных дыр. Но это конкретное наблюдение не соответствовало другим зафиксированным учёными столкновениям: оно привело к чёрной дыре среднего размера, которую учёные едва ли могут увидеть, а тем более объяснить, и какая-то сила растягивала типичный круговой танец, когда исполины приближались друг к другу.

"Гравитационно-волновое событие GW190521 является самым удивительным открытием на сегодняшний день. Массы и вращения чёрных дыр уже были поразительными, но ещё более удивительным было то, что они, казалось, не имели круговой орбиты, ведущей к слиянию," – говорится в заявлении Имре Бартоса, физика из Университета Флориды и соавтора нового исследования. Астрономы называют сигналы гравитационных волн датой их наблюдения, поэтому GW190521 отмечает гравитационную волну, обнаруженную 21 мая 2019 года.

При самом раннем анализе странного сигнала учёные уже подозревали, что слияние произошло в области космоса, богатой чёрными дырами. Астрономам известны два типа чёрных дыр. Одни из них, называемые звёздными чёрными дырами, образуются из умирающих звёзд, и содержат примерно в дюжину раз больше массы нашего Солнца. Сверхмассивные чёрные дыры, напротив, скрываются в центре некоторых галактик (включая наш Млечный Путь) и могут содержать массу, в миллионы раз превышающую массу их крошечных собратьев.

Результатом слияния в мае 2019 года оказалась промежуточная чёрная дыра, размер которой колеблется от 100 до 1000 раз больше массы нашего Солнца. Учёным ещё не удавалось изучить и объяснить, как может образоваться такой объект. В ответ на это открытие астрономы предположили, что одна из столкнувшихся чёрных дыр сама была результатом столкновения, в результате чего конечный продукт слияния оказался в таинственном промежуточном диапазоне, в 142 раза превышающем массу Солнца.

Астрономы, сначала проанализировавшие GW190521, предположили, что чтобы получилось два последовательных столкновения, оно должно было произойти вблизи того, что учёные называют активным галактическим ядром – особенно динамичной сверхмассивной чёрной дырой, заякорившей галактику, где могут размножаться более мелкие чёрные дыры.

Новое исследование подтверждает это предположение, рассматривая ситуацию под другим углом.

Эти учёные хотели понять, почему две чёрные дыры на самом деле не вращались по кругу вокруг друг друга при столкновении – вместо этого их орбиты были эксцентричными или эллиптическими, больше овальными, чем круглыми. Это тоже было странно: астрономы думали, что массивные гравитационные силы, возникающие при столкновении двух чёрных дыр, должны были вынудить их двигаться по круговым траекториям.

Поэтому физики, стоящие за новым исследованием, приступили к моделированию столкновений чёрных дыр. И хотя их расчёты предполагали, что три случайные чёрные дыры вряд ли приведут к эксцентрическому столкновению, кое-что изменилось, когда они рассмотрели среду активного галактического ядра.

Этот тип объекта также содержит диск материи, окружающий сверхмассивную чёрную дыру, как гораздо более массивную модель Солнечной системы. Там, где в Солнечной системе планеты, в активном галактическом ядре – звёздные чёрные дыры, разбросанные по всему диску, что новое исследование идентифицирует как двухмерную систему.

В этих условиях вероятность эксцентричного слияния в моделях резко возрастает – в 100 раз, говорится в заявлении соавтора Йохана Самсинга, астрофизика из Института Нильса Бора в Дании. При такой скорости, возможно, половина слияний дисков активных галактических ядер будет эксцентричной, а не круговой, что делает исключительное наблюдение в мае 2019 года гораздо менее удивительным.

"В этих средах типичная скорость и плотность чёрных дыр настолько высоки, что более мелкие чёрные дыры отскакивают, как в гигантской игре в бильярд, и широко круговые двойные системы не могут существовать," – сказал в своём заявлении соавтор Бенс Коцис, астрофизик из Оксфордского университета в Великобритании.

Исследователи отметили, что вероятность эксцентрических слияний в их модели зависит от характеристик диска, окружающего сверхмассивную черную дыру. Следующим шагом, по их словам, является обнаружение ещё большего количества столкновений чёрных дыр для анализа.

Исследование описано в статье, опубликованной в среду (9 марта) в журнале Nature.

источник https://www.livescience.com/black-holes-collide-around-monster-black-hole
редактура и адаптация Дмитрий Бобров