Ученые давно подозревали, что гигантская черная дыра, образовавшаяся в результате слияния двух черных дыр, может достигать чрезвычайно высоких скоростей. Теперь группа специалистов представила доказательства в поддержку этой гипотезы: используя данные LIGO и Virgo, которые измеряют гравитационные волны, они , что в результате слияния бинарных черных дыр образовалась черная дыра со скоростью отдачи до 1500 км/с. Это явление может иметь важные последствия для эволюции галактик.
Виджай Варма, физик из Института гравитационной физики Макса Планка в Германии, и его коллеги заинтересовались гравитационно-волновым сигналом от слияния бинарной черной дыры GW200129_065458 (результат которого теперь носит название GW200129), который показал сильные свидетельства орбитальной прецессии. Две первоначальные черные дыры, вращаясь друг вокруг друга, постепенно сближались и в конце концов столкнулись. Удар придал всему этому эффект «толчка», в результате чего скорость достигла нескольких сотен километров в секунду.
Давиде Джероза, астрофизик из Университета Милано-Бикокка в Италии, сравнивает это явление со стрельбой из пушки: «Когда ядро выстреливает, пушка отскакивает в противоположном направлении. Когда черные дыры излучают гравитационные волны, они несут определенное линейное движение; гравитационные волны — это пушечное ядро, а образовавшаяся черная дыра — это пушка«, — рассказывает он NewScientist.
Расчетная скорость не менее 700 км/с
Черные дыры обладают огромной массой, что требует столь же огромной силы, чтобы заставить их двигаться. Однако теперь известно, что некоторые черные дыры не статичны, а совсем наоборот. В прошлом году команда из Гарварда и Смитсоновского центра астрофизики выявила огромную черную дыру, движущуюся со скоростью 4810 км/с (более 17 млн км/ч) в галактике J0437+2456. «Возможно, мы наблюдаем последствия слияния двух сверхмассивных черных дыр«, — сказал тогда Джим Кондон, радиоастроном из Национальной радиоастрономической обсерватории в Шарлоттсвилле.
Когда две черные дыры вращаются друг вокруг друга, они излучают гравитационные волны, которые несут энергию и угловой момент. Орбита постепенно сужается, пока они не сольются, оставив только одну черную дыру. В то же время гравитационные волны могут переносить линейный импульс бинарной системы, перемещая ее центр масс в обратном направлении. Большая часть линейного импульса теряется при приближении слияния, в результате чего результирующему объекту передается скорость отдачи.
На основе численных моделей команда оценила, что скорость отдачи черной дыры GW200129, образовавшейся в результате слияния, составляет от около 700 км/с до чуть более 1500 км/с. Это исследование является первой идентификацией большой скорости отдачи для отдельного гравитационно-волнового события. Учитывая скорость GW200129, исследователи считают, что существует вероятность (менее 0,48%), что остаточная черная дыра удерживается шаровыми скоплениями (очень плотными концентрациями звезд). Команда также утверждает, что эффект «удара», полученного черной дырой GW200129, не должен вызвать смещение в тестах общей теории относительности для этого конкретного события.
Определенное влияние на эволюцию галактик
Предыдущие численные моделирования показали, что скорость отдачи черной дыры после слияния может достигать значений порядка 5000 км/с — более чем достаточно, чтобы выбросить ее из галактики-хозяина. Именно поэтому такие «удары» имеют важное значение для астрофизики. Если черная дыра, образовавшаяся в результате слияния двух сверхмассивных черных дыр, удалится от галактического центра или вообще покинет свою галактику, это может повлиять на эволюцию галактики или даже привести к ее расколу.
Более того, черная дыра, извлеченная из уже относительно «переполненной» среды, будет влиять на частоту последующих слияний. Таким образом, это явление может поставить под сомнение происхождение крупнейших черных дыр, обнаруженных LIGO/Virgo, которые теоретически являются результатом последовательных слияний черных дыр.
Это исследование не только доказывает, что черные дыры могут перемещаться с экстремальными скоростями, но и то, что они, вероятно, относительно многочисленны во Вселенной. Будет ли наша планета однажды поглощена одним из этих сверхбыстрых монстров? По мнению Виджая Вармы, шансов нет, потому что космос слишком огромен: «[Эта черная дыра] находится на расстоянии миллиардов световых лет, поэтому даже если бы она была направлена в сторону Земли, нам бы не пришлось беспокоиться о ней в ближайшее время. Но она движется прочь от Земли«, — сказал ученый изданию NewScientist.
Теперь команда надеется, что будущие наблюдения за подобными слияниями черных дыр улучшат понимание этого явления и его последствий. «Можно ожидать, что по мере повышения чувствительности детекторов мы будем наблюдать больше таких событий«, — заключают исследователи.