Астрономы обнаружили сокровищницу, которая меняет наш взгляд на космос
Автор: Томас Льютон
Публикуется в сокращении
Когда в 2015 году было обнаружено первое слияние черной дыры, это был переломный момент в истории астрономии. С помощью гравитационных волн астрономы наблюдали Вселенную совершенно по-новому. Но это событие не произвело революции в нашем понимании черных дыр — да и не могло. Астрономы знали, что это столкновение будет первым наблюдаемым из многих.
«Первое наблюдение вызвало волнение» — вспоминает Вики Калогера, астрофизик из Северо-Западного университета и часть команды проекта «Лазерный интерферометр Гравитационно-волновой обсерватории» (LIGO). «Но вы не можете утверждать что-то в астрофизике, опираясь на один источник».
Теперь Калогера и другие физики говорят, что они вступают в новую эру астрономии черных дыр благодаря резкому увеличению числа объектов, которые они могут наблюдать.
Последний каталог наблюдений этих так называемых двойных слияний — это когда две черные дыры двигаются по спирали внутрь друг к другу и сталкиваются — увеличил в четыре раза данные о процессе, доступные для изучения. Сейчас астрофизикам предстоит изучить почти 50 слияний, ожидается еще десятки в ближайшие несколько месяцев и еще сотни в ближайшие годы.
«Астрофизика черных дыр переживает революцию благодаря использованию наблюдения за гравитационными волнами, ведь их количество очень велико», — говорит Калогера. «И цифры позволяют нам задавать качественно новые вопросы. Мы открыли настоящую сокровищницу».
На основе этих данных новые исследования начинают раскрывать секреты этих загадочных объектов: как формируются черные дыры и почему они сливаются. Растущий перечень черных дыр может также предложить новый способ исследовать космологическую эволюцию — от Большого взрыва до рождения первых звезд и роста галактик.
«Я определенно не ожидала, что мы будем заниматься этими вопросами так скоро после первого обнаружения» — говорит Майя Фишбах, астроном из Северо-Западного региона.
Прежде чем черные дыры можно будет использовать для изучения космоса в целом, астрофизики должны сначала выяснить, как они устроены. До сих пор в дебатах доминировали две теории.
Некоторые астрономы предполагают, что большинство черных дыр возникают внутри скоплений звезд, которые иногда в миллион раз плотнее, чем в нашей области галактики. Каждый раз, когда очень массивная звезда взрывается, остается черная дыра, которая опускается до середины звездного скопления. Центр скопления становится плотным из-за черных дыр, которые гравитацией опутывают пространство вокруг. Астрономы называют это «динамическим» образованием черной дыры.
Другие предполагают, что двойные черные дыры начинаются как звездные пары в относительно пустынных областях галактик. После долгой и хаотичной совместной жизни они тоже взрываются, создавая «изолированную» пару черных дыр, которые продолжают вращаться вокруг друг друга.
Тенденция многих теоретиков отстаивать только один подход к формированию двойной черной дыры частично проистекает из практических соображений работы с очень небольшим количеством данных. «Каждое событие было с любовью проанализировано, его подробно изучали», — говорит Хольц. «Но новые наблюдения помогут нам установить истину».
Действительно, астрофизики использовали это первое наблюдение для поиска новых аргументов. Благодаря LIGO очень быстро удалось обнаружить первое слияние черных дыр — фактически, до официального начала наблюдений, — что позволило предположить, что двойные системы черных дыр очень распространены во Вселенной. Поскольку изолированные черные дыры могут образовываться в широком диапазоне астрофизических сред, теории, поддерживающие изолированные черные дыры, предсказывают, что мы увидим много слияний.
Другие отмечали, что первое наблюдение позволило обнаружить необычно большие черные дыры, и что существование этих гигантов подтверждает динамическую теорию. По их мнению, такие большие черные дыры могли образоваться только в ранней Вселенной, когда образовывались звездные скопления.
Тем не менее, с текущей выборкой (одно наблюдение) такие утверждения могут быть только предположениями, говорит Карл Родригес, астрофизик из Университета Карнеги-Меллона.
Данные из последнего каталога LIGO показывают, что двойные черные дыры встречаются гораздо реже, чем ожидалось. Фактически, наблюдаемая сейчас скорость слияния черных дыр может быть «полностью объяснена» звездными скоплениями, согласно препринту, опубликованному в конце прошлого месяца Родригесом и его сотрудниками.
Кроме того, новые слияния позволили по-новому взглянуть на загадку происхождения черных дыр. Несмотря на свою неуловимую природу, черные дыры очень просты. Помимо массы и заряда, единственная характеристика, которую может иметь черная дыра, — это скорость вращения. Если пара черных дыр и звезды, из которых они образовались, проживут вместе всю свою жизнь, постоянное притяжение и отталкивание выровняют их вращение. Но если две черные дыры случайно встретятся друг с другом в более позднем возрасте, их вращения, скорее всего, будут неравными.
После измерения вращения черных дыр в наборе данных LIGO астрономы теперь предполагают, что динамический и изолированный сценарии почти одинаково вероятны. Не существует «единого правила, которое бы управляло всем», — пишет астрофизик из Чикагского университета Майкл Зевин и его сотрудники в недавнем препринте, описывающем множество различных путей, которые вместе могут объяснить эту новую и растущую популяцию двойных черных дыр.
В недавнем препринте Фишбах и ее сотрудники обнаружили признаки различий в типах черных дыр, наблюдаемых в разные моменты космической истории. В частности, более тяжелые черные дыры кажутся более распространенными на ранних этапах истории Вселенной.
Это не стало сюрпризом для многих астрофизиков; они ожидают, что первые звезды Вселенной сформировались из огромных облаков водорода и гелия, что делало их намного больше, чем поздние звезды. Черные дыры, созданные этими звездами, также должны были быть огромными.
Но одно дело предсказать, что происходило в ранней Вселенной, а другое — наблюдать. «Вы действительно можете начать использовать [черные дыры] в качестве индикатора того, как во Вселенной формировались звезды в течение космического времени — и как собирались галактики, которые образуют эти звезды и звездные скопления», — говорит Родригес. «И это начинает становиться действительно круто».
Исследование является первым шагом к использованию больших наборов данных о черных дырах в качестве радикального инструмента для исследования космоса. Астрономы создали удивительно точную модель эволюции Вселенной, известную как Lambda-CDM. Но идеальной модели нет. «Гравитационные волны предлагают способ измерения Вселенной, совершенно независимый от всех других методов в истории космологии», — говорит Сальваторе Витале, астрофизик из Массачусетского технологического института.
Оригинал: The Atlantic