какое излучение образуется при слиянии двух черных дыр
Спросите Итана: как гравитационные волны убегают из чёрной дыры?
Объединение двух чёрных дыр, особенно на финальных стадиях, приводит к излучению огромного количества гравитационных волн
Этот вопрос занимал меня очень долго. В статьях об открытии, сделанном на LIGO, пишут, что часть массы при слиянии чёрных дыр была излучена, из-за чего результирующая чёрная дыра получилась меньше, чем сумма двух изначальных. Однако же считается, что из чёрной дыры убежать нельзя. Как же энергия излучалась при слиянии чёрных дыр?
Довольно глубокий вопрос, относящийся к самой сути физики чёрных дыр и ОТО.
Чёрная дыра и её окружение, ускоряющийся и падающий в неё аккреционный диск. Сингулярность прячется за горизонтом событий.
С одной стороны у нас есть чёрная дыра. Вся её масса/энергия концентрируется в сингулярности в центре, и внешнему наблюдателю она не видна из-за присутствия горизонта событий. Внутри него любой путь, которым может следовать частица, будь она массивной или безмассовой, вне зависимости от её скорости или энергии, приведёт её к сингулярности в центре чёрной дыры. Это значит, что любая частица, попавшая внутрь горизонта событий, никогда не сможет выбраться оттуда, поэтому вся энергия будет поймана внутри чёрной дыры навсегда. Попав в чёрную дыру, вы становитесь частью свойств сингулярности: массы, заряда (всяких видов) и спина. И всё.
Волны в пространстве-времени обладают частотой общей орбиты чёрных дыр, и чем ближе они к центру, тем интенсивнее
С другой стороны, ОТО говорит нам, что когда две массы любого типа вращаются друг вокруг друга, в результате на ткани пространства появляются волны, а орбита постепенно сужается. Это гравитационные волны, они перемещаются со скоростью света, переносят с собой энергию, и заставляют пространство расширяться и сужаться, проходя через него. Из-за знаменитого уравнения Эйнштейна E = mc 2 (или, как он его изначально записал, m = E/c 2 ), нам известно, что источником энергии служит масса, а источником массы – энергия. Их можно преобразовывать туда и обратно; масса – всего лишь одна из форм, которую принимает энергия.
Сигнал LIGO, связанный с первым точным обнаружением гравитационных волн
Так что, когда LIGO опубликовал результаты события, случившегося 14 сентября 2015 года, в январе 2016-го, не было ничего особенно удивительного в том, что учёные обнаружили две чёрные дыры – массами в 36 и 29 солнечных – сливающиеся, чтобы породить новую чёрную дыру массой в 62 солнечных. А куда девались ещё три массы Солнца (порядка 5% веса всей системы)? Они ушли в энергию гравитационных волн. У всех обнаруженных после этого событий была примерно одна тенденция: две чёрные дыры сравнимых масс сближаются по спирали, и примерно 5% их общей начальной массы излучается вовне в виде гравитационных волн.
Но у каждой чёрной дыры есть горизонт событий. У каждой из пары он был до слияния, он есть у получившейся в результате чёрной дыры, и ни в какой из моментов слияния сингулярность не становится «голой» и не показывается из-за горизонта событий. Так как же уменьшается масса?
Любой объект или форма, физическая или не физическая, исказится при прохождении через него гравитационных волн. Изнутри горизонта событий никакие волны не излучаются.
Это не вопрос с подвохом. Это всё равно, что спросить, куда девается масса, когда протоны сливаются в дейтерий, гелий-3, а затем гелий-4 в Солнце. Почему гелий-4 менее массивен, чем четыре протона, из которых он возник? Из-за энергии связи ядер. Связанное состояние более стабильно, и у него меньше энергии (а следовательно, и меньше массы), чем у несвязанного. Когда две чёрных дыры сближаются и сливаются, они становятся более связанными гравитационно, чем были до этого. Они теряют энергию благодаря энергии гравитационной связи, а не из-за того, что какая-то часть массы покидает горизонт событий.
Закон Ньютона о всемирном притяжении уступил место ОТО Эйнштейна, но всё ещё служит наглядным инструментом для отслеживания таких величин, как сила и энергия.
Свет и волны в пространстве. Свет, проходя через искривлённое пространство, меняет то, как наблюдатель в любой точке воспринимает время, прошедшее для света.
Конечно, Вселенная на таких масштабах подчиняется ОТО, а не ньютоновской гравитации, но суть остаётся той же. Это не чёрные дыры теряют массу; это общее количество энергии превращается из одной формы – двух разделённых несвязанных масс – в другую: единую, сильно связанную массу и гравитационное излучение. Свойства орбиты и массы изначальных чёрных дыр определяют, какой процент общей изначальной массы станет связующей энергией, но в любом случае конечная масса будет больше, чем любая из начальных, но меньше, чем их сумма. Максимально на излучение может уйти до 5% энергии, когда две массы примерно одинаковы. Если в их спинах содержится огромное количество энергии, и они параллельны, то этот процент можно увеличить до 11%. Но если одна из масс сильно превосходит другую, процентное отношение падает. Чёрная дыра массой в 1 солнечную, сливаясь с чёрной дырой, массой в 1000000, потеряет на излучение порядка 0,0001% своей энергии.
Представление художника о двух звёздах, вращающихся друг вокруг друга и постепенно сливающихся, что порождает гравитационные волны. Это вероятный источник короткоживущих вспышек гамма-излучения, а также источник гравитационных волн.
В результате сближения по спирали и слияния ничто изнутри чёрных дыр не выходит наружу, это пространство-время деформируется под воздействием потенциальной гравитационной энергии. На последней фазе слияния горизонт событий принимает наиболее эффективную форму – сферы или сфероида. Именно в самую последнюю долю секунды испускается большая часть энергии, но никакие частицы изнутри горизонта событий не выходят наружу. Предсказания Эйнштейна весьма точны, именно поэтому мы и смогли обнаружить эти волны: мы подсчитали, какого сигнала нам нужно ожидать. Наша интуиция может нас подводить, но для этого и существуют уравнения. Даже когда наши инстинкты нас обманывают, расчёты дадут нам научную истину.
Итан Сигель – астрофизик, популяризатор науки, автор блога Starts With A Bang! Написал книги «За пределами галактики» [Beyond The Galaxy], и «Трекнология: наука Звёздного пути» [Treknology].
Из черноты черных дыр: что скрывают гравитационные волны
В середине июня научное сообщество всколыхнула новость об обнаружении гравитационных волн от слияния двух черных дыр. Существование таких волн было предсказано еще Альбертом Эйнштейном. Что это означает для науки – в материале m24.ru.
Собственно, гравитационные волны были зафиксированы уже трижды. В первый раз это произошло еще в конце прошлого года. Впрочем, некоторые научные мужи встали на дыбы в вопросе, что же вообще было зафиксировано, а если и было, то откуда пришли эти волны. Иными словами, стороны заспорили об источнике волн. Второй эпизод произошел относительно недавно, в феврале. Здесь уже копья ломались не настолько яростно. А в июне астрофизикам удалось сделать научное открытие, которое, по-видимому, ставит точку в вопросе существования гравитационных волн. Но не только в нем.
Немного о черных дырах
Дело в том, что гравитационные волны – это единственный способ доказать существование знаменитых черных дыр. Согласно общей теории относительности Эйнштейна и всем гипотезам, которые проистекают непосредственно из нее, звезды переживают на своем жизненном пути различные трансформации. Сначала рождается обычная рядовая звезда, которая излучает за счет запасов водорода – наиболее распространенного во Вселенной химического элемента.
Затем запасы водорода подходят к концу. Тогда в звезде могут начаться термоядерные реакции по превращению гелия в другие химические элементы. Гелий будет превращаться в углерод, углерод – в кислород, и так цепочка может идти до железа. А звезда закономерно увеличивает свои размеры и превращается в красного сверхгиганта.
Красные гиганты и сверхгиганты
Звезды, которые могут похвастать наибольшими размерами во Вселенной. В процессе эволюции звезды, у нее рано или поздно заканчивается водород. Таким образом, исчезает источник энергии, за счет которого долгое время шел процесс горения. Образуется плотное гелиевое ядро с разреженной газовой оболочкой вокруг него. Звезда в буквальном смысле слова «пухнет», давая начало процессу горения гелия.
Средний радиус красного гиганта равен примерно 500 солнечных радиусов. Таким образом, превратившееся в красного гиганта Солнце в конце своей звездной эволюции увеличит границы примерно до размеров орбиты Земли.
После того как сверхгигант исчерпает все свои источники энергии, звезда коллапсирует, и, в зависимости от ее массы, образуется массивный компактный объект – белый карлик, нейтронная звезда или черная дыра. Звезда с массой, примерно равной массе Солнца, закончит свой путь как белый карлик. Если она была тяжелее в несколько раз – то это уже нейтронная звезда. А вот если она была намного тяжелее Солнца, а таких звезд предостаточно, Солнце вообще является середняком как в плане массы, так и в вопросе светимости, то становится черной дырой.
Нейтронные звезды и белые карлики для ученых давно не являются новинкой. Разумеется, нельзя сказать, что они изучены целиком и полностью, ведь состояние вещества в недрах таких звезд весьма экзотическое. Из-за чрезмерной плотности оно может утрамбоваться до такой степени, что никакие земные лаборатории будут не в состоянии воспроизвести такой объект.
Белые карлики и нейтронные звезды
После того, как и красный гигант/сверхгигант исчерпает собственные запасы «топлива», происходит довольно любопытная вещь – он «сбрасывает» внешнюю оболочку, оставляя «голое» ядро звезды, которое под действием гравитационных сил может еще больше сжаться. К тому же часть вещества оболочки «падает» обратно на теперь уже образовавшийся белый карлик: звезду чрезвычайно малых размеров и огромной плотности.
Если масса звезды изначально была больше в 1,44 раза, чем масса Солнца, гравитационное сжатие (коллапс) не остановится на процессе формирования белого карлика и образуется нейтронная звезда. Такое название она получила из-за того, что в ядре таких звезд наблюдается большое количество нейтронов. Из-за огромной плотности в недрах таких звезд вещество может существовать в состояниях, которые являются экзотическими. Например, кварки (своеобразные кирпичики, из которых состоят элементарные частицы) могут выделиться из частиц и образовать кварковое вещество. Впрочем, пока это является гипотезой, требующей проверки.
Предположим, у вас есть чайная ложка и вы зачерпнули в нее вещество из ядра нейтронной звезды. Ради упрощения представим, что это удалось, ложка не сломалась, а вещество не разлетелось. Сколько оно будет весить в земных условиях? Многие сотни тонн!
Если звезда была настолько большой, что даже образование нейтронной звезды не остановило гравитационного коллапса, то получается черная дыра. А со звездами такого типа существует определенная проблема: их нельзя каким-либо не экзотическим способом поймать в сети.
Что будет, если на нейтронные звезды, черные дыры или белые карлики идет поток вещества
Несмотря на то, что все три класса этих объектов образуются довольно схожим образом, то есть это конечная стадия эволюции звезд, по своим свойствам белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры друг от друга отличаются.
В свою очередь поток вещества на нейтронную звезду может запустить процесс ее превращения в черную дыру.
Чернота черных дыр
Гравитационная мощность черных дыр оказывается настолько огромной, что она превышает даже скорость света. По сути, черные дыры не имеют никаких других параметров, кроме массы. Мы не можем сказать, что происходит за рубежом, где сила притяжения становится столь большой, что не пропускает никакое излучение.
Из этого, в свою очередь, следуют две вещи. Первая из них гласит, что черная дыра является сингулярностью (точкой бесконечной плотности, в которой не существует времени и откуда невозможно выбраться). Вторая – что у черной дыры нет поверхности. В самом деле, есть ли у черной дыры поверхность или нет, выяснить совершенно невозможно. Для того чтобы определить этот момент, необходимо наблюдать своеобразное затмение – прохождение черной дыры по диску другой звезды. Но и здесь существуют определенные сложности.
Черные дыры находятся на значительном удалении от Земли, а даже суперсовременные оптические телескопы здесь ничем не помогут. Кроме того, они сильно искривляют свет, пришедший к нам от других небесных тел за счет своей гравитации.
Иными словами, способов ощутить черную дыру крайне мало. Но они есть. Например, микролинзирование. Это как раз попытка распознать массивный компактный объект за счет искривления света от других объектов. Второе – гравитационные волны от слияния черных дыр.
Как они сливаются
По данным ученых, источником волн в последнем случае стало слияние двух черных дыр, произошедшее 1,4 миллиарда лет назад. Масса этих небесных тел превышала солнечную в восемь и 14 раз соответственно.
По современным представлениям ученых, в результате слияния двух черных дыр происходит мощнейший гравитационный всплеск при полном отсутствии другого излучения. Таким образом, единственным способом зарегистрировать слияние двух массивных компактных объектов является «поимка» гравитационных волн.
Нейтронные звезды и черные дыры в нашей галактике
По статистике, чрезвычайно массивных звезд образуется достаточно немного. Наибольшее количество звезд во Вселенной – значительно меньше Солнца по массе и светимости.
По приблизительным подсчетам, в Млечном Пути насчитывается около миллиарда нейтронных звезд и примерно 100 миллионов черных дыр.
Слияние черных дыр хоть и является притягательной темой для научных фантастов, все же не слишком красиво выглядит в реальности. Никакого взрыва при превращении двух этих объектов в один не происходит. Возникает только чудовищный по силе всплеск гравитационных волн, который можно зафиксировать, а затем следует полная тишина: родилась новая мегамассивная черная дыра.
Слияния двух компактных объектов меньшего «калибра» обогатили нашу Вселенную массой новых химических элементов. Взять то же золото: по современным представлениям ученых, большая часть этого вещества возникла при слиянии нейтронных звезд. А что же дают черные дыры? Ответ: а неизвестно.
Надежнейшее обнаружение двух всплесков гравитационного излучения на установках LIGO, а также обнаружение третьего (более слабого сигнала) не просто большой успех проекта LIGO. Это начало эпохи гравитационно-волновой астрономии.
Система детекторов гравитационных волн – это новый тип телескопа, позволяющий изучать астрономические объекты в ранее недоступном диапазоне. Все три зарегистрированных всплеска обязаны своим происхождением слияниям черных дыр звездных масс. У нас нет других способов изучать такие явления, а они крайне важны и для физики, и для астрофизики.
Физики получили новый способ изучения гравитации (достаточно сказать, что наилучшие пределы на скорость распространения гравитационного взаимодействия установлены именно благодаря первому всплеску). А астрофизики получили возможность изучать взаимодействие черных дыр с черными дырами.
В ближайшем будущем мы ждем также сигнала от слияний нейтронных звезд. Это сможет дать новую информацию об этих объектах.
В ближайшие месяцы установки LIGO продолжат работу на более высокой чувствительности и к ним присоединится VIRGO. Через несколько лет заработает японская установка KAGRA, а затем будет дособран третий детектор LIGO в Индии. Таким образом, менее чем через 10 лет будет работать целая сеть из чувствительных детекторов, разбросанных по всему миру. От них можно ждать интересных открытий как в области астрофизики, так и в области фундаментальной физики.
В существовании черных дыр еще не поставлена точка, а тем более, никому не удалось заглянуть за горизонт такого объекта. Но если ученым это удастся, то будет сделан еще один огромный шаг в фундаментальной физике. Его явно оценят Нобелевской премией, а человечество будет намного ближе к созданию «общей теории всего».
Сияние тьмы: астрономы впервые зарегистрировали свет от столкновения черных дыр
На прошлой неделе исследователи из 17 научных учреждений сообщили о важном открытии. Впервые в истории астрономы наблюдали вспышку света, вызванную столкновением двух черных дыр. Этот результат может стать новым окном в природу этих экзотических и плохо поддающихся наблюдению объектов — если, конечно, сенсация подтвердится, в чем у некоторых экспертов есть серьезные сомнения.
Как мы видим черные дыры
Черные дыры потому и называются черными, что не испускают света (как и других электромагнитных волн). Поэтому обнаружить черную дыру — отдельная проблема для наблюдателей.
Хорошо заметны лишь черные дыры, окруженные облаком газа. Мощная гравитация небесного тела заставляет окружающее вещество падать на него плотным потоком. При этом материя раскаляется и ярко сияет в разных диапазонах, от радиоволн до рентгеновских лучей. Излучение испускается до того, как вещество упадет за горизонт событий (границу, из-за которой не может вырваться даже свет), поэтому оно и достигает земных телескопов. Именно благодаря такой иллюминации ученые знают, что в центре практически любой галактики присутствует сверхмассивная черная дыра массой от сотен тысяч до миллиардов солнечных.
Гораздо более неуловимы черные дыры массой в десятки солнц, которые образуются при взрывах сверхновых. Обычно поблизости от них просто нет запасов вещества, которое они могли бы интенсивно поглощать, обеспечивая себе подсветку. Именно поэтому наблюдатели пока насчитали в Галактике лишь несколько десятков черных дыр звездной массы. Наблюдения последних лет обещают расширить этот список до сотен, но и это капля в море: по теоретическим оценкам, в Млечном Пути их должны быть сотни миллионов. Стоит ли говорить, что при такой скудности наблюдательных данных изучать эти небесные тела крайне трудно.
Гравитационное зрение
Новый способ изучать черные дыры появился благодаря детекторам гравитационных волн.
Теоретически гравитационную волну вызывает любое тело, обладающее массой и движущееся с ускорением, даже упавшая на стол шариковая ручка. Такая волна должна раскачивать все предметы, которых она достигает, однако практически эти волны так слабы, что их невозможно заметить. Только такие масштабные катаклизмы, как столкновения черных дыр и нейтронных звезд, вызывают волны, которые по крайне мере можно обнаружить, и то на пределе технических возможностей человечества.
Детекторы гравитационных волн представляют собой настоящее чудо инженерного искусства. Они фиксируют смещение чувствительных элементов на величину, которая меньше радиуса протона, и столь слабый сигнал не только обнаруживается, но и анализируется. По нему можно определить, например, массы столкнувшихся черных дыр. Это большое подспорье для астрономов: ведь столкновение невидимых в телескопы объектов тоже невидимо.
Увидеть невидимое
Гравитационный всплеск GW190521g был зафиксирован 21 мая 2019 года обоими действующими детекторами LIGO и VIRGO. На первый взгляд он ничем не выделялся из ряда подобных событий. Две черные дыры массой в несколько десятков солнц каждая столкнулись и слились в одну черную дыру массой порядка ста солнц.
Необычным было место столкновения (его координаты можно определить, сравнивая сигнал с разных детекторов, хотя и не очень точно). Дело в том, что именно в этой области неба находится квазар J1249+3449.
Квазар — это сверхмассивная черная дыра, окруженная особенно плотным облаком падающего на нее газа. Этот поток падающей материи превращает квазары в практически самые мощные источники излучения во Вселенной (как бы это ни было парадоксально для черной дыры).
Что если столкновение двух черных дыр звездной массы произошло прямо в облаке газа, окружающем сверхмассивный центральный объект? Тогда это вещество могло бы обеспечить заметную в телескопы вспышку. Ведь столкновение черных дыр в облаке газа может нагреть его до свечения. Ещё до открытия теоретики предложили целый ряд сценариев того, как это может произойти.
И вспышка действительно была. Ее обнаружили благодаря оптическому телескопу ZTF, который и предназначен для регистрации разного рода вспышек (для этого он регулярно фотографирует большую область неба).
Квазар J1249+3449 и без того виден в оптические телескопы. Но через несколько дней после гравитационного всплеска GW190521g он внезапно увеличил яркость. Она постепенно возвращалась к норме в течение целого месяца.
Что это было?
Авторы новой статьи предполагают следующий сценарий. В облаке вещества, окружающем сверхмассивную черную дыру, находилась пара черных дыр звездной массы. Отметим, что в этом нет ничего необычного. Огромная гравитация сверхмассивного объекта должна собирать вокруг него целый рой этих небесных тел.
В какой-то момент члены этой пары столкнулись и слились (это событие и породило гравитационные волны). Образовавшаяся при этом новая черная дыра в момент рождения получила мощный толчок. Он заставил ее буквально пробить окружающее облако газа насквозь и вылететь из него.
Объект, пролетевший сквозь облако вещества, вызвал в нем ударную волну. Энергия этой ударной волны и нагрела материю, заставив ее светиться. Такой нагрев должен был произойти не сразу, а через несколько дней после самого столкновения, что и наблюдалось.
Конечно, исследователи не сбрасывают со счетов и альтернативные объяснения. Наблюдавшаяся вспышка могла иметь другую природу и случайно совпасть с GW190521g во времени и пространстве.
Так, квазары не являются абсолютно стабильными источниками света. Их яркость слегка колеблется, в том числе и в виде вспышек. Не исключено, что именно такое событие и зафиксировал телескоп. Кроме того, сверхмассивная черная дыра могла разорвать и поглотить неудачно подвернувшуюся звезду (подобный процесс тоже сопровождается вспышкой). Есть и другие возможности.
Однако авторы статьи рассчитали вероятность подобных совпадений и заключили, что она крайне мала (менее 0,1%).
Если открытая вспышка действительно вызвана столкновением черных дыр звездной массы, то наблюдения в оптические телескопы могут стать новым методом исследования таких катаклизмов (правда, лишь тех, которые происходят в облаках вещества). А значит, астрономы получат больше возможностей для изучения этих экзотических объектов.
Тем не менее у некоторых специалистов есть серьезные сомнения в том, что такой сценарий реалистичен. «Предложенная авторами модель выглядит несколько сомнительно, — утверждает доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник Физического института РАН и приглашенный научный сотрудник факультета прикладной математики и теоретической физики Кембриджского университета Павел Иванов. — Дело в том, что заявленная мощность вспышки на несколько порядков больше, чем мог бы дать какой бы то ни было газодинамический процесс, связанный с черной дырой массой порядка ста масс Солнца».
Другими словами, никакие движения газа, вызванные родившейся в результате столкновения черной дырой, не могли породить настолько мощной вспышки. Значит, она имела иную природу, а совпадение с гравитационным всплеском — случайность, каким бы маловероятным ни считали такой сценарий авторы исследования.
Кто прав в этом споре, покажет только время. Разумеется, публикация в самом престижном в мире физическом журнале Physical Review Letters — это очень веская причина отнестись к выводам авторов всерьез. Но даже в самых авторитетных журналах иногда публикуются статьи с ошибочными результатами. Говорить об открытии как о свершившемся факте можно будет, только если его признает мировое экспертное сообщество. А для этого, вполне возможно, понадобятся новые наблюдательные данные.
Возможно, их не придется долго ждать. По расчетам исследователей (если их модель все-таки верна), через несколько лет такая вспышка должна произойти еще раз. Это случится, когда вылетевшая из облака черная дыра вернется в него под действием гравитации сверхмассивного центрального объекта. Если в этот раз астрономы наведут на квазар крупные телескопы, они смогут изучить явление подробнее и окончательно установить его природу.