Загадка останнього парсека: що відбувається насправді під час злиття чорних дір

Учені знають, що чорні діри, об'єкти з найвищою щільністю у Всесвіті, які поглинають матерію і не випускають її назовні, можуть зливатися, щоб створити нову чорну діру. Що саме відбувається всередині цих чорних дір, коли відбувається процес злиття, достеменно не відомо, і вчені тільки здогадуються про це. Проте відомо, як відбувається цей процес, пише Space.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

Зближення чорних дір і втрата орбітальної енергії

Уявіть собі дві чорні діри, які обертаються навколо одна одної довгими орбітами. Вони могли виникнути після смерті подвійної зірки або ж випадковим чином зблизилися в глибинах космосу. Для того, щоб відбувся процес злиття, чорні діри мають зблизитися, а це означає втрату великої кількості орбітальної енергії.

Спочатку втрата орбітальної енергії відбувається через взаємодію чорних дір з навколишніми об'єктами: міжзоряним газом, зірками або планетами. Усі ці об'єкти взаємодіють із чорною дірою за допомогою гравітації. Іноді вони падають у чорну діру, а іноді можуть вибратися з міцних гравітаційних обіймів пожирача матерії. Таким чином втрачається частина орбітальної енергії чорної діри.

Щойно чорні діри опиняються досить близько, відбувається інший процес. Чорні діри змінюють простір-час, обертаючись навколо одна одної, і в результаті виникають гравітаційні хвилі, які виходять від чорних дір, і вони схожі на брижі на поверхні води, коли по ній пливе човен. Коли чорні діри знаходяться дуже близько, то гравітаційні хвилі сприяють втраті орбітальної енергії.

Проблема останнього парсека

Але є одна загадка, яка ставить у глухий кут астрофізиків. Вона називається проблемою останнього парсека. Моделювання показало, що гравітаційна взаємодія з навколишнім середовищем може привести чорні діри на відстань у приблизно 1 парсек (3,26 світлових років) одна від одної за тривалий час. Але на такій відстані просто недостатньо матерії, щоб зникала орбітальна енергія. З іншого боку, на тій самій відстані гравітаційні хвилі занадто слабкі, і їм знадобляться десятки мільярдів років, що більше за вік Всесвіту, щоб вкрасти орбітальну енергію.

Щоб не відбувалося, в кінцевому підсумку чорні діри опиняються досить близько, щоб гравітаційні хвилі могли справді витягнути багато енергії з системи. У цей момент у чорних дір залишається всього кілька секунд до повного злиття.

На такій близькій відстані чорні діри починають деформувати одна одну. У чорних дір немає поверхні, а є горизонт подій, тобто невидима межа, подолавши яку матерія вже не може покинути чорну діру. Але форма горизонту подій залежить не тільки від самої чорної діри, а й від геометрії простору-часу навколо неї. Таким чином, коли чорні діри починають процес злиття, то їхні горизонти подій подовжуються і тягнуться одна до одної.

Як відбувається повне об'єднання двох чорних дір?

Про те, що відбувається далі, вчені отримали уявлення тільки за допомогою моделювання. За мілісекунди до зіткнення кожна чорна діра випускає тонкий крихітний тунель свого горизонту подій до свого компаньйона. Ці тунелі зустрічаються і зливаються, утворюючи міст між двома чорними дірами, який їх пов'язує. Дуже швидко міст розширюється, горизонти подій з'єднуються і в одну мить чорні діри зливаються в один великий об'єкт.

Що відбувається всередині чорних дір залишається загадкою. Центр чорної діри відомий як сингулярність, тобто точка нескінченної щільності. Саме в цьому місці не працюють усі відомі нам закони фізики. Моделювання показує, що сингулярності швидко знаходять одна одну, недовго обертаються навколо одна одної, а потім зливаються. Але що відбувається там насправді, астрофізики не знають.

Нова чорна діра менш масивна, ніж ті, що її створили: чому?

Як не дивно, нова чорна діра має масу, яка менша, ніж загальна маса чорних дір, які її створили. Кілька років тому вчені виявили, що чорна діра з масою у 36 разів більшою, ніж у Сонця, злилася з чорною дірою, яка мала масу, що в 30 разів більшу, ніж у нашої зірки. Але в підсумку нова чорна діра стала мати масу всього в 63 рази більшу, ніж у Сонця.

Астрофізики вважають, що масу, якої не вистачає, було перетворено на енергію у формі гравітаційних хвиль. Для порівняння, це все одно, що перетворити три Сонця на чисту енергію. Коли чорні діри зливаються, вони виділяють більше енергії, ніж кожна зірка у Всесвіті.

Як уже писав Фокус, залізо-60 не з нашого світу, то звідки взявся цей ізотоп на Землі? Більше, ніж будь-який інший, цей ізотоп попереджає нас про вплив зірок, що вибухають, на Сонячну систему.

Нагадуємо, що деякі астрофізики вважають, що на самому початку історії Всесвіту були створені не зовсім звичайні чорні діри. Автори нового дослідження вважають, що з їхньою допомогою можна вперше побачити безпосередньо темну матерію, як уже писав Фокус.