space

Черные дыры могут расти по мере расширения Вселенной

Черные дыры во Вселенной больше, чем ожидали астрофизики. Новое исследование показывает, почему: каждая отдельная черная дыра может расти по мере расширения Вселенной.

Новая гипотеза, названная «космологической связью», утверждает, что по мере того, как Вселенная расширяется наружу после Большого взрыва, все объекты с массой также растут вместе с ней.

А черные дыры, как одни из самых массивных существующих объектов, растут больше всего. Эта гипотеза проистекает из гравитационной ряби в пространстве-времени, которая возникает, когда две массивные черные дыры блокируются на орбите, вращаются внутрь и сталкиваются.

С 2015 года ученые из обсерватории гравитационных волн с лазерным интерферометром (LIGO) и интерферометра Virgo, которые предназначены для обнаружения этих гравитационных волн, наблюдали многие из этих слияний черных дыр.

Но в волнах таится загадка. Основываясь на оценочном распределении звезд по размерам во Вселенной, черные дыры должны иметь массу примерно в 40 раз меньше массы Солнца. Но данные, полученные с помощью этих гравитационных волн, показывают, что масса многих черных дыр превышает 50 солнечных масс, а некоторые приближаются к массам 100 солнечных.

Распространенное объяснение этого несоответствия заключается в том, что черные дыры со временем растут за счет поглощения газа, пыли, звезд и даже других черных дыр. Но поскольку черные дыры часто образуются после гигантских звездных взрывов, называемых сверхновыми, многие черные дыры возникают в областях космоса без какого-либо этого материала.

Астрономы предложили альтернативные объяснения, но все они предлагают невидимые изменения в нынешнем понимании ученых жизненных циклов звезд. И никто не может объяснить ошеломляющее разнообразие размеров объединенных черных дыр, обнаруженных обсерваториями гравитационных волн.

В новой статье, опубликованной 3 ноября в The Astrophysical Journal Letters, предлагается объяснение как больших, так и малых объединенных масс черных дыр: раздувающиеся массы черных дыр не являются результатом чего-то, что они едят, а вместо этого каким-то образом привязан к расширению самой Вселенной.

Это будет означать, что все черные дыры во Вселенной, включая сливающиеся черные дыры, обнаруженные в экспериментах с гравитационными волнами, блуждающие черные дыры на окраинах нашей галактики и даже огромные сверхмассивные черные дыры в центрах большинства галактик, со временем растут. 

Чтобы исследовать свою гипотезу, исследователи решили смоделировать два сливающихся черных в растущей вселенной, а не статические вселенные, которые строят другие исследовательские группы для упрощения сложных уравнений (полученных из общей теории относительности Эйнштейна), которые обеспечивают основу для черного. модели слияния дыр.

Для слияния двух спиралевидных черных дыр требуется всего несколько секунд, поэтому предположение о статической Вселенной в течение этого короткого периода времени, как это было сделано в прошлых исследованиях, кажется разумным. Но исследователи не согласны, они говорят, что если ученые примут статичную Вселенную в своих моделях, они могут исключить потенциальные изменения в двух черных дырах за миллиарды лет, которые они существовали, прежде чем они достигнут точки столкновения.

«Это предположение упрощает уравнения Эйнштейна, потому что Вселенная, которая не растет, должна отслеживать гораздо меньше», — сказал первый автор исследования Кевин С. Крокер, профессор Гавайского университета на факультете физики и астрономии Маноа. 

«Однако есть компромисс: прогнозы могут быть разумными только в течение ограниченного периода времени».

Моделируя миллионы пар звезд — от их рождения до смерти — исследователи смогли изучить те, которые умерли, образовав парные черные дыры, и связать, насколько они выросли пропорционально расширению Вселенной. После сравнения некоторых прогнозов, сделанных модельной вселенной, которую они создали, с данными LIGO-Virgo, исследователи были удивлены, увидев, что они хорошо совпадают.

«Я должен сказать, что сначала я не знал, что и думать», — сказал в своем заявлении соавтор Грегори Тарле, профессор физики в Мичиганском университете. «Это была такая простая идея, я был удивлен, что она так хорошо сработала». Гипотеза может показаться диковинной, но космологическая связь существует и в других областях астрофизики.

Самым известным примером этого, вероятно, является «красное смещение», при котором свет удаляющихся объектов растягивается до более длинных (и, следовательно, более красных) волн. Это означает, что по мере того, как Вселенная расширяется и звезды удаляются друг от друга — как точки, нарисованные на надувном воздушном шаре — световые частицы или фотоны, которые излучают звезды, со временем становятся краснее, теряя при этом энергию. Считается, что энергия света космологически связана с расширением Вселенной.

Если исследователи правы, это означает, что все, что имеет массу, становится больше — солнца, нейтронные звезды, планеты и даже люди. Конечно, для нас эта связь будет намного слабее, чем для черных дыр. «Космологическая связь действительно применима к другим объектам и материалам во Вселенной, но сила связи настолько мала, что вы не можете увидеть ее эффекты», — сказал Крокер.

«Для тех типов черных дыр, которые мы предположили, связь может быть в миллион раз больше, чем вы ожидаете от ядра Солнца. И даже для таких типов черных дыр вам, возможно, придется подождать сотни миллионов лет, чтобы просто удвоить свою массу «. На данный момент это может быть просто интересная идея, но по мере того, как детекторы гравитационных волн со временем становятся более чувствительными, для проверки гипотезы будет становиться все больше и больше данных, сказал Крокер.

«Запланированные обновления до LIGO-Virgo, а также данные, которые они будут собирать в течение следующего десятилетия, будут описывать еще много слияний черных дыр», — сказал Крокер. «Чем больше данных будет собрано, тем мощнее мы сможем проверить нашу гипотезу. Космические эксперименты с гравитационными волнами, такие как LISA [космическая антенна лазерного интерферометра], могут позволить нам увидеть прирост массы непосредственно в отдельных системах».

Поделиться с друзьями: