Колеблющаяся черная дыра предсказанная Эйнштейном

103
Колеблющаяся черная дыра предсказанная Эйнштейном
Колеблющаяся черная дыра предсказанная Эйнштейном

Колеблющаяся черная дыра

Исследователи из Университета Кардиффа обнаружили необычное закручивающее движение на орбитах двух сталкивающихся черных дыр — экзотическое явление, предсказанное теорией гравитации Эйнштейна.

Их исследование, опубликованное в журнале Nature под руководством профессора Марка Ханнама, доктора Чарли Хоя и доктора Джонатана Томпсона, сообщает, что впервые этот эффект, известный как прецессия, был замечен в черных дырах, где закручивание происходит в 10 миллиардов раз быстрее, чем в предыдущих наблюдениях.

  • Колеблющаяся черная дыра предсказанная Эйнштейном
    Колеблющаяся черная дыра предсказанная Эйнштейном

Бинарная система черных дыр была обнаружена с помощью гравитационных волн в начале 2020 года на детекторах Advanced LIGO и Virgo. Одна из черных дыр, которая в 40 раз больше нашего Солнца, вероятно, является самой быстро вращающейся черной дырой, обнаруженной с помощью гравитационных волн. И в отличие от всех предыдущих наблюдений, быстро вращающаяся черная дыра настолько исказила пространство и время, что вся орбита бинара колебалась туда-сюда.

Эта форма прецессии характерна для общей теории относительности Эйнштейна. Эти результаты подтверждают ее существование в самом экстремальном физическом событии, которое мы можем наблюдать, — столкновении двух черных дыр.

Мы всегда считали, что бинарные черные дыры способны на такое», — говорит профессор Марк Ханнам из Института гравитационных исследований Кардиффского университета. «Мы надеялись обнаружить такой пример с тех пор, как были обнаружены первые гравитационные волны. Нам пришлось ждать пять лет и более 80 отдельных обнаружений, но наконец-то мы нашли одну!

Более приземленным примером прецессии является колебание вращающейся вершины, которая может колебаться — или прецессировать — раз в несколько секунд. В отличие от этого, прецессия в общей теории относительности обычно является настолько слабым эффектом, что его невозможно заметить. В самом быстром примере, измеренном ранее на орбитальных нейтронных звездах, называемых бинарными пульсарами, для прецессии орбиты потребовалось более 75 лет. Бинарная черная дыра в данном исследовании, известная в просторечии как GW200129 (названная в честь даты ее наблюдения — 29 января 2020 года), прецессирует несколько раз каждую секунду — эффект в 10 миллиардов раз сильнее, чем измеренный ранее.

Доктор Джонатан Томпсон, также из Университета Кардиффа, объяснил:

Это очень сложный эффект для идентификации. Гравитационные волны чрезвычайно слабы, и для их обнаружения требуется самая чувствительная измерительная аппаратура в истории. Прецессия — это еще более слабый эффект, скрытый внутри и без того слабого сигнала, поэтому нам пришлось провести тщательный анализ, чтобы обнаружить его.

Гравитационные волны были предсказаны Эйнштейном в 1916 году. Впервые они были непосредственно обнаружены в результате слияния двух черных дыр приборами усовершенствованной системы LIGO в 2015 году, что стало прорывным открытием, за которое в 2017 году была присуждена Нобелевская премия. В настоящее время астрономия гравитационных волн является одной из самых динамично развивающихся областей науки. В США, Европе и Японии работает сеть детекторов LIGO, Virgo и KAGRA. На сегодняшний день обнаружено более 80 волн, все они связаны со слиянием черных дыр или нейтронных звезд.

Художественное изображение столкновения двух нейтронных звезд, порождающего гравитационные волны и огромный, яркий джет.
Художественное изображение столкновения двух нейтронных звезд, порождающего гравитационные волны и огромный, яркий джет.

«До сих пор большинство черных дыр, обнаруженных нами с помощью гравитационных волн, вращались довольно медленно», — говорит доктор Чарли Хой, исследователь из Университета Кардиффа во время этого исследования, а сейчас работающий в Университете Портсмута. Большая черная дыра в этом бинаре, которая была примерно в 40 раз массивнее Солнца, вращалась почти так быстро, как это физически возможно». Наши нынешние модели формирования двойных дыр позволяют предположить, что этот случай был крайне редким, возможно, один на тысячу. Или это может быть признаком того, что наши модели должны измениться».

Международная сеть детекторов гравитационных волн в настоящее время модернизируется и начнет свой следующий поиск во Вселенной в 2023 году. Скорее всего, они обнаружат еще сотни столкновений черных дыр, и тогда ученые узнают, был ли GW200129 редким исключением или признаком того, что наша Вселенная еще более странная, чем они думали.