Ученые получили первые измерения плотности вещества в окрестностях слияния черных дыр

Новости МирТесен

Астрофизики из международной группы, проанализировав данные, полученные гравитационно-волновыми обсерваториями, смогли исследовать структуру центров галактик, которые ранее были невидимы для прямых наблюдений. Как сообщается в статье, опубликованной в журнале Nature Astronomy, полученные результаты не только подтверждают наличие очень плотной материи вблизи объединяющихся сверхмассивных черных дыр, но и демонстрируют, что ее плотность достигает примерно миллиона солнечных масс на кубический парсек.

Исследователи изучили информацию о гравитационно-волновом фоне, полученную, в частности, благодаря коллаборации NANOGrav с применением техники пульсарного тайминга (PTA). Данная методика задействует миллисекундные пульсары, выступающие в роли высокоточных космических часов, что обеспечивает возможность регистрации гравитационных волн на частоте в наногерц. Зарегистрированный фон является результатом комбинированного сигнала от огромного количества пар сверхмассивных черных дыр, сливающихся в различных точках Вселенной. Тем не менее, в области самых низких частот ученые выявили неожиданное отклонение, которое не соответствовало теоретическим расчетам, прогнозирующим развитие этих объектов только посредством излучения гравитационных волн.

По словам первого автора исследования, доцента Шанхайского университета Чэнь Ифаня Цзяо Тун, данная особенность свидетельствует о воздействии внешних факторов. На начальных этапах сближения, до того, как детекторы, такие как LIGO, зафиксируют финальную фазу слияния, на траекторию черных дыр оказывают влияние звезды и частицы темной материи, присутствующие в центре галактики. Исследователи полагают, что определяющим фактором в данном случае являются гравитационные трехтельные взаимодействия. Если представить себе, что сближающиеся черные дыры подобны огромной праще, то проходящие мимо них звезды или частицы темной материи получают гравитационный импульс, ускоряясь и удаляясь, но при этом отнимают часть энергии у двойной системы, что приводит к ее более быстрому сжатию.

Сопоставив свои модели с 15-летними данными, полученными в рамках сотрудничества NANOGrav, исследователи не только убедились в существовании этого явления, но и впервые определили плотность вещества вблизи слияющихся черных дыр. Согласно результатам, наиболее вероятная плотность составляет приблизительно 10⁶ солнечных масс на кубический парсек. Интересно, что это значение совпадает с непосредственными электромагнитными наблюдениями центров ближайших галактик, в частности, Млечного Пути и M87. Это свидетельствует о том, что обнаруженные эффекты являются подлинными и не связаны с необычными процессами. В то же время, анализ данных не поддерживает предположение о наличии очень резких, сконцентрированных «пиков» темной материи, указывая на более равномерное ее распределение.

Представленные данные также помогают разобраться с известной «проблемой последнего парсека» — давней загадкой для астрофизиков, касающейся того, как черные дыры преодолевают последнее расстояние и объединяются, поскольку излучение гравитационных волн, по всей видимости, недостаточно быстрое для этого. Механизм выброса звезд и материи предоставляет необходимое объяснение данного процесса. Хотя авторы признают, что наблюдаемый изгиб спектра отчасти может быть объяснен и высокоэллиптическими орбитами двойных систем, такой сценарий потребовал бы экстремальных значений эксцентриситета, что маловероятно для большинства объектов. Дальнейшие наблюдения с помощью новых поколений радиотелескопов, таких как FAST и Square Kilometer Array, позволят снять остающиеся неопределенности и помогут отличить влияние звезд от влияния темной материи на пути развития Вселенной.