Новое моделирование проливает свет на поведение бинарных сверхмассивных чёрных дыр

Новая модель приближает ученых к пониманию того, какие световые сигналы генерируются, когда две сверхмассивные чёрные дыры, масса которых в миллионы и миллиарды раз больше массы Солнца, двигаются по спирали к своему неминуемому столкновению. Новая компьютерная модель, полностью учитывающая физические эффекты общей теории относительности Эйнштейна, показывает, что газ в таких системах будет светиться преимущественно в ультрафиолетовом и рентгеновском спектре.

Почти каждая галактика, размером с наш Млечный Путь или больше, содержит в своем центре чёрную дыру, которая является настоящим космическим монстром. Наблюдения показывают, что слияния галактик довольно часто происходят во вселенной, но до сих пор никто не видел слияния этих гигантских чёрных дыр.

”Нам хорошо известно, что галактики с центральными сверхмассивными чёрными дырами сливались друг с другом на протяжении всей истории вселенной. Но наблюдаем мы только небольшую часть галактик с двумя такими объектами вблизи их центров. Пары, которые нам известны, не испускают сильные гравитационно-волновые сигналы, потому что они слишком далеки друг от друга. Наша цель состоит в том, чтобы идентифицировать — только с помощью светового излучения — ещё более близкие пары, у которых сигналы гравитационных волн могут быть обнаружены в будущем”, — Скотт Нобл, астрофизик Центра космических полетов имени Годдарда в Гринбелте, штат Мэриленд.

Документ, описывающий анализ нового моделирования, был опубликован во вторник 2, октября 2018 года в Astrophysical Journal и стал доступен в интернете.

С помощью лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории LIGO Национального научного фонда учёные обнаружили сливающиеся чёрные дыры звёздной массы в диапазоне от трёх до нескольких десятков солнечных масс. Гравитационные волны — это пространственно-временная рябь, движущаяся со скоростью света. Они образуются, когда массивные объекты, такие как чёрные дыры и нейтронные звёзды, вращаются вокруг друг друга и в конечном итоге сливаются.

Слияния сверхмассивных объектов обнаружить гораздо труднее, чем у их собратьев звёздной массы. Одна из причин, по которой наземные обсерватории не могут обнаружить гравитационные волны от таких событий, заключается в том, что сама Земля слишком “зашумлена” от сейсмических колебаний и гравитационных изменений атмосферных возмущений. Детекторы должны быть расположены в космосе, как это планируется сделать в случае с лазерным интерферометром LISA, который Европейское Космическое Агентство планируется к запуску в 2030-х годах.

Обсерватории, контролирующие системы с быстро вращающимися сверхплотными звёздами, называемыми пульсарами, могут обнаруживать гравитационные волны от слияний таких объектов. Пульсары являются чем-то вроде космических маяков, они испускают регулярно синхронизированные лучи света которые, по мере вращения пульсара, то видны, то не видны наблюдателю с Земли. Гравитационные волны могут вызвать небольшие изменения во времени возникновения этих вспышек, но до сих пор исследования не дали никаких точных открытий.

Новое моделирование проливает свет на поведение бинарных сверхмассивных чёрных дыр

На этой анимации показано вращение на 360 градусов вокруг замороженной версии стимуляции сливающихся сверхмассивных чёрных дыр в плоскости аккреционного диска. Источник: NASA’s Goddard Space Flight Center

Но, двойные системы, состоящие из сверхмассивных чёрных дыр, приближающихся к столкновению, не могут иметь одну составляющую обычных бинарных звёздных систем — газовую среду. Ученые подозревают, что взрыв сверхновой, который создает чёрную дыру звёздной массы, выбрасывает большую часть окружающего газа. А чёрная дыра поглощает то немногое, что осталось вокруг неё , так быстро, что у этого вещества совершенно не остаётся времени чтобы начать светиться, когда происходит слияние.

Сверхмассивные бинарные системы, с другой стороны, являются результатом слияния галактик. Каждая такая чёрная дыра несёт с собой обрамление из газовых и пылевых облаков, звёзд и планет. Учёные считают, что столкновение галактик подталкивает большую часть этого материала к центральным чёрным дырам, которые потребляют его с такой же скоростью, которая как раз необходима для слияния системы. Поскольку чёрные дыры расположены совсем рядом друг от друга, магнитные и гравитационные силы нагревают оставшийся газ, создавая свечение, и у астрономом появляется возможность их видеть.

“Очень важно двигаться по двум направлениям. Моделирование этих событий требует сложных вычислительных инструментов, которые включают все физические эффекты, создаваемые двумя сверхмассивными чёрными дырами, вращающимися друг вокруг друга со скоростью, равной на которой части скорости света. Знание того, какие световые сигналы ожидать от этих событий, поможет идентифицировать их при современных наблюдениях. А модели и анализ на практике будут затем взаимно дополнять друг друга, помогая нам лучше понять, что происходит в сердцах большинства галактик”, — соавтор Мануэла Кампанелли, директор Центра вычислительной относительности и гравитации Рочестерского технологического института в Нью-Йорке, она инициировала этот проект девять лет назад.

Анимация нового моделирования, представленная здесь, показывает в сумме три орбиты пары сверхмассивных чёрных дыр, до слияния которых осталось ещё 40 оборотов (орбит) вокруг друг друга. Модели показывают, что свет, излучаемый на этой стадии процесса, может доминировать в ультрафиолетовой части спектра с примесью рентгеновских лучей высокой энергии, аналогичными тем, которые наблюдаются в любой галактике с хорошо “питающейся” сверхмассивной чёрной дырой.

Три области свечения излучающего газа при слиянии чёрных дыр соединяются потоками горячего газа: большое кольцо, окружающее всю систему, называемое кольцевым диском, и два меньших вокруг каждой чёрной дыры, называемые мини-дисками. Все эти объекты излучают преимущественно ультрафиолетовый свет. Когда газ на большой скорости поступает в мини-диск, ультрафиолетовый свет диска взаимодействует с короной каждой чёрной дыры — областью высокоэнергетических субатомных частиц, расположившихся выше и ниже диска. Это взаимодействие производит рентгеновские лучи. Когда скорость аккреции падает, ультрафиолетовый свет слабеет на фоне рентгеновских лучей.

Основываясь на этом моделировании, исследователи ожидают, что рентгеновские лучи, испускаемые почти в самом конце процесса слияния, будут более яркими и более изменчивыми, чем рентгеновские лучи, видимые из одиночных сверхмассивных чёрных дыр. Темпы изменения интенсивности их излучения зависят от орбитальной скорости газа, расположенного на внутреннем краю диска, а также от самого слияния чёрных дыр.

«То, как обе чёрные дыры отклоняют свет, приводит к возникновению сложных эффектов линзирования, как показано на анимации, когда одна чёрная дыра проходит перед другой. В процессе моделирования мы находили и некоторые экзотические черты, например, тени в форме бровей, которые одна чёрная дыра иногда создает у горизонта событий другой”, — Стефан Д’Асколи, докторант Высшей нормальной школы в Париже и ведущий автор статьи.

Моделирование проводилось на суперкомпьютере Blue Waters Национального центра суперкомпьютерных вычислений в Иллинойском университете в Урбана-Шампейн. Моделирование трёх оборотов системы заняло 46 суток на 9600 вычислительных ядрах. Учёные уже заявили, что недавно им выделили дополнительное время для продолжения разработки своих моделей.

Исходное моделирование оценивало температуру окружающего газа. Команда планирует доработать свой код, чтобы смоделировать, как изменение параметров системы, таких как температура, расстояние, общая масса и скорость аккреции, повлияет на излучаемый свет. Они заинтересованы в моделирования более длительных промежутка времени, а также в том, чтобы увидеть, что происходит с газом, путешествующим между двумя чёрными дырами.

“Нам нужно найти сигналы в свете от сверхмассивных двойных чёрных дыр, достаточно отличительных, чтобы астрономы могли найти эти редкие системы среди огромного количества ярких одиночных сверхмассивных объектов. Если у нас получится это сделать, мы сможем обнаружить сливающиеся сверхмассивные чёрные дыры прежде, чем их увидит космическая гравитационно-волновая обсерватория”, — соавтор Джулиан Кролик, астрофизик из Университета имени Джона Хопкинса.

По информации НАСА.