Крупнейшее на сегодняшний день слияние чёрных дыр стало настоящей сенсацией и опровергло ожидания астрономов. В этом рекордном событии участвовали чёрные дыры с массами, примерно в 100 раз превышающими массу Солнца. Это диапазон, в котором считается невозможным традиционный процесс формирования звёздного коллапса.
Новые наблюдения
Новые наблюдения, о которых сообщалось ранее на этой неделе, предполагают, что некоторые чёрные дыры образуются в результате сценария мультислияния [1]. С момента первого обнаружения слияния в 2015 году коллаборация LIGO-Virgo-KAGRA (LVK) — сеть учёных, работающих с детекторами гравитационных волн в США, Европе и Японии, — наблюдала около 300 слияний чёрных дыр. Когда две чёрные дыры закручиваются друг вокруг друга, они создают рябь в пространстве-времени, которую можно зафиксировать на Земле с помощью высокочувствительных интерферометров. Большинство этих чёрных дыр имеют массу около 10 масс Солнца — размер, который можно объяснить в сценарии, где массивная звезда исчерпывает топливо и коллапсирует в чёрную дыру.
Массивные звёзды и их судьба
Но не все звёзды имеют такую судьбу. Согласно теоретическим моделям [2], очень массивные звёзды массой около 200 масс Солнца нестабильны. Энергия в ядре такой звезды была бы настолько высокой, что привела бы к образованию электрон-позитронных пар — комбинации материи и антиматерии, которая снижает самоподдерживающееся давление звезды. Падение давления приводит к разрушительному имплозии — и у звезды нет шансов достичь финала в виде чёрной дыры.
Промежуток масс и альтернативные сценарии
Однако в 2019 году коллаборация LVK обнаружила слияние чёрных дыр с измеренными массами — 65 и 85 масс Солнца — на нижнем конце промежутка (см. [Viewpoint: A Heavyweight Merger](https://physics.aps.org/articles/v13/111)). Это удивительное наблюдение привело к предположениям об альтернативных сценариях формирования чёрных дыр, но поскольку прогнозируемый диапазон масс для промежутка был неопределённым, оставалось возможным, что эти чёрные дыры образовались в результате какого-то модифицированного сценария звёздного коллапса.
Теперь коллаборация LVK повысила ставки, обнаружив две более тяжёлые чёрные дыры, причём одна из них находится прямо в промежутке. «Это событие является убедительным доказательством того, что чёрные дыры в промежутке масс могут существовать», — говорит представитель научной коллаборации LIGO Стивен Фэйрхерст из Кардиффского университета в Великобритании.
Как формируются гиганты?
«Возможный сценарий — это то, что эти чёрные дыры происходят от иерархических слияний», — говорит Бини. Эта модель предполагает, что в результате более ранних поколений слияний образуются сверхмассивные чёрные дыры, которые затем сливаются с другими тяжеловесами. «Это похоже на генеалогическое древо чёрных дыр», — говорит Бини. Одной из проблем для этой модели является то, что слившиеся чёрные дыры должны встретиться. Обычно событие слияния даёт рекоils импульс конечной чёрной дыре, который может заставить её вылететь из богатых звёздами регионов, где ожидалось бы дальнейшее слияние, объясняет Бини.
Вращение чёрных дыр
Ещё одной возможностью, которую рассматривает коллаборация LVK, является слияние массивной звезды с другой звездой — в обход нестабильности создания пар. Но эти модели с трудом объясняют большие значения вращения, которые наблюдает команда.
Даже если учёные остаются в неведении относительно того, как образовались эти чёрные дыры, они могут определить, где они образовались, говорит теоретик Розальба Перна из Университета Стони Брук в Нью-Йорке, которая не участвовала в исследовании. Она говорит, что слияние GW231123, вероятно, произошло в среде, где плотность звёзд достаточно высока, чтобы взаимодействия чёрных дыр были частыми, или где окружающая среда достаточно плотная, чтобы чёрные дыры могли аккумулировать много дополнительного материала. «На ум приходят диски активных галактических ядер», — говорит она.
Как парус меняет свою форму
Парус яхты действует как крыло. Ветер, обтекающий его, создаёт горизонтальную подъёмную силу. Тем временем вода воздействует на корпус и киль лодки. Опытные моряки могут регулировать натяжение и положение паруса, чтобы обеспечить взаимодействие этих сил, всегда генерирующее результирующую составляющую вперёд, даже при плавании под углом к ветру.
Чтобы достичь пунктов назначения на ветру, моряки следуют зигзагообразному курсу, перемежая его манёвром, называемым галсом: быстрым изменением направления лодки, которое переворачивает парус в зеркальное отображение. В симуляциях Кристиана Маврояиакому из Нью-Йоркского университета и Сайлас Албен из Мичиганского университета анализируют, когда галсы переворачивают парус в оптимальную форму — и когда это не так [1].
Маврояиакому и Албен объединили мембранную модель с моделью жидкости для исследования манёвра галса. Гибкая мембрана изначально была наклонена под углом 0°–20° относительно устойчивого фонового потока, что приводило к её искривлению. Затем угол мембраны менялся так, что поток шёл с другой стороны. Исследователи изучили, какие параметры модели влияли на то, как мембрана принимала свою зеркально отражённую форму в ответ на новое направление ветра.
Мембрана с достаточной массой сохраняла свой импульс достаточно долго, чтобы перевернуться; однако для стабилизации в устойчивой форме требовалось больше времени. Исследование даёт представление не только морякам, но и тем, кто проектирует мембраны, которые направляют и приводят в движение движущееся транспортное средство, такое как автономные парусные роботы.
— Майкл Ширбер
Майкл Ширбер — соответствующий редактор журнала [Physics Magazine](https://physics.aps.org/), базирующегося в Лионе, Франция.
— Рэйчел Берковиц
Рэйчел Берковиц — соответствующий редактор [Physics Magazine](https://physics.aps.org/), базирующегося в Ванкувере, Канада.