Чёрные дыры — это массивные, странные и невероятно мощные астрономические объекты. Учёные знают, что в центрах большинства галактик находятся сверхмассивные чёрные дыры. Они также понимают, как из определённых звёзд образуются гораздо меньшие по массе чёрные дыры звёздной массы, когда те достигают конца своей жизни.
Понимание того, как из меньших по массе чёрных дыр звёздной массы могут формироваться сверхмассивные чёрные дыры, помогает астрономам узнать, как растёт и развивается Вселенная.
Но в исследованиях чёрных дыр остаётся открытым вопрос: что насчёт чёрных дыр со средними массами? Их гораздо сложнее найти, чем их звёздных и сверхмассивных собратьев. Они имеют массу от нескольких сотен до нескольких сотен тысяч масс Солнца.
Мы — команда астрономов, которые занимаются поиском этих промежуточных чёрных дыр. В новой статье двое из нас (Кристал и Каран) объединились с группой исследователей, включая постдокторанта Анджали Еликар, чтобы изучить рябь в пространстве-времени и обнаружить несколько из этих неуловимых сливающихся чёрных дыр.
Чтобы получить интуитивное представление о том, как учёные обнаруживают чёрные дыры звёздной массы, представьте, что вы находитесь на бейсбольной игре, где вы сидите прямо за большой бетонной колонной и не видите игровое поле. Даже хуже, толпа оглушительно громко шумит, так что почти невозможно увидеть или услышать игру.
Но вы учёный, поэтому достаёте высококачественный микрофон и компьютер и пишете компьютерный алгоритм, который может обрабатывать аудиоданные и отделять шум толпы от звука удара биты о мяч. Вы начинаете запись, и с достаточной практикой и обновлениями вашего оборудования и программного обеспечения вы можете начать следить за игрой, получая представление о том, когда мяч попадает, в каком направлении он летит, когда он попадает в перчатку, где ноги бегущих ударяются о землю и так далее.
Хотя это сложный способ наблюдать за бейсбольной игрой, но, в отличие от бейсбола, при наблюдении за Вселенной иногда сложный способ — это всё, что у нас есть.
Принцип записи звука и использования компьютерных алгоритмов для выделения определённых звуковых волн для определения того, что это такое и откуда они исходят, аналогичен тому, как астрономы изучают гравитационные волны. Гравитационные волны — это рябь в пространстве-времени, которая позволяет нам наблюдать за такими объектами, как чёрные дыры.
Теперь представьте себе реализацию другого звукового алгоритма, тестирование его в течение нескольких иннингов игры и обнаружение конкретного удара, который не мог быть произведён никакой законной комбинацией биты и мячей. Представьте, что данные предполагают, что мяч был больше и тяжелее, чем мог бы быть легальный бейсбольный мяч.
Учёные используют специализированную обсерваторию под названием Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) для наблюдения за «звуком» слияния двух чёрных дыр во Вселенной. Они ищут гравитационные волны, которые можно измерить с помощью LIGO.
В каждом событии две «родительские» чёрные дыры сливаются в одну, более массивную чёрную дыру. Используя данные LIGO, учёные могут определить, где и как далеко произошло слияние, какова масса родительских и результирующих чёрных дыр, в каком направлении на небе произошло слияние и другие ключевые детали.
Большинство родительских чёрных дыр в событиях слияния изначально образуются из звёзд, которые достигли конца своей жизни — это чёрные дыры звёздной массы. Не каждая умирающая звезда может создать чёрную дыру звёздной массы. Те, которые это делают, обычно имеют массу от 20 до 100 масс Солнца. Но из-за сложной ядерной физики действительно массивные звёзды взрываются по-другому и не оставляют после себя никаких остатков, чёрной дыры или чего-либо ещё.
Эти физические процессы создают то, что мы называем «пробелом в массе» чёрных дыр. Меньшая чёрная дыра, вероятно, образовалась из умирающей звезды. Но мы знаем, что чёрная дыра более массивная, чем примерно в 60 раз превышающая размер Солнца, хотя и не является сверхмассивной чёрной дырой, всё равно слишком велика, чтобы образоваться непосредственно из умирающей звезды.
Точная граница «пробела в массе» всё ещё несколько неопределённа, и многие астрофизики работают над более точными измерениями. Однако мы уверены, что пробелы в массе существуют, и что мы близки к границе.
Мы называем чёрные дыры в этом промежутке лёгкими промежуточными чёрными дырами (lite IMBHs), потому что они являются наименее массивными чёрными дырами, которые, как мы ожидаем, могут существовать из других источников, помимо звёзд. Они больше не считаются чёрными дырами звёздной массы.
В нашем исследовании мы проанализировали 11 кандидатов на слияние чёрных дыр из третьего цикла наблюдений LIGO. Эти кандидаты были, возможно, сигналами гравитационных волн, которые выглядели многообещающе, но всё ещё нуждались в дополнительном анализе для окончательного подтверждения.
Данные показали, что для тех 11, которые мы проанализировали, их окончательная чёрная дыра после слияния могла быть в диапазоне лёгких IMBH. Мы обнаружили пять чёрных дыр после слияния, которые, по нашему анализу, с вероятностью 90% были лёгкими IMBH.
Более критически важно, мы обнаружили, что одно из событий имело родительскую чёрную дыру в диапазоне массы, соответствующем «пробелу в массе», а два — родительские чёрные дыры выше этого диапазона. Поскольку мы знаем, что эти чёрные дыры не могут образоваться непосредственно из звёзд, это открытие предполагает, что во Вселенной есть другой способ создания чёрных дыр такой массы.
Родительская чёрная дыра такой массы может быть уже продуктом двух других чёрных дыр, которые слились в прошлом, поэтому наблюдение за большим количеством IMBH может помочь нам понять, как часто чёрные дыры могут «находить» друг друга и сливаться во Вселенной.
LIGO находится на заключительных этапах своего четвёртого цикла наблюдений. Поскольку в этой работе использовались данные третьего цикла наблюдений, мы с нетерпением ожидаем применения нашего анализа к этому новому набору данных. Мы ожидаем, что продолжим поиск лёгких IMBH, и с этими новыми данными мы улучшим наше понимание того, как более уверенно «слышать» эти сигналы от более массивных чёрных дыр среди всего шума.
Мы надеемся, что эта работа не только укрепит позиции в пользу лёгких IMBH в целом, но и поможет пролить больше света на то, как они образуются.
Предоставлено: The Conversation.
Эта статья была опубликована на The Conversation под лицензией Creative Commons. Читайте оригинальную статью.