Расширение Вселенной напрямую влияет на рост черных дыр

Первое визуализированное изображение черной дыры, освещенной падающим веществом. В этом исследовании исследователи предложили модель, в которой эти объекты могут набирать массу без добавления вещества: они могут космологически взаимодействовать с ростом самой Вселенной. Изображение предоставлено: Жан-Пьер Люмине, «Изображение сферической черной дыры с тонким аккреционным диском», Astronomy and Astrophysics 75 (1979): 228–35.

С момента первого наблюдения слияния черных дыр с помощью лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) в 2015 году астрономы неоднократно удивлялись их большой массе. Хотя они не излучают света, слияния черных дыр наблюдаются по их излучению гравитационных волн – ряби в ткани пространства-времени, предсказанной общей теорией относительности Эйнштейна. Изначально физики ожидали, что черные дыры будут иметь массу примерно в 40 раз меньше массы Солнца, потому что сливающиеся черные дыры возникают из массивных звезд, которые не могут удерживаться вместе, если становятся слишком большими.

Обсерватории LIGO и Virgo, однако, обнаружили множество черных дыр с массой больше, чем у 50 солнц, причем некоторые из них имеют массу до 100 солнц. Было предложено множество сценариев образования таких больших черных дыр, но ни один сценарий не смог объяснить наблюдаемое до сих пор разнообразие слияний черных дыр, и нет согласия относительно того, какая комбинация сценариев образования является физически жизнеспособной. Это новое исследование, опубликованное в Письма в астрофизический журнал, является первым показателем, который показывает, что как большие, так и малые массы черных дыр могут возникать в результате единственного пути, по которому черные дыры набирают массу в результате расширения самой Вселенной.

Астрономы обычно моделируют черные дыры внутри Вселенной, которая не может расширяться. «Это предположение упрощает уравнения Эйнштейна, потому что Вселенная, которая не растет, имеет гораздо меньше, чем нужно следить», – сказал Кевин Крокер, профессор кафедры физики и астрономии UH Mānoa. «Однако есть компромисс: прогнозы могут быть разумными только в течение ограниченного периода времени».

Поскольку отдельные события, обнаруживаемые LIGO — Virgo, длятся всего несколько секунд, при анализе любого отдельного события такое упрощение имеет смысл. Но эти же слияния потенциально ожидаются в течение миллиардов лет. За время между образованием пары черных дыр и их окончательным слиянием Вселенная стремительно растет. Если внимательно рассмотреть более тонкие аспекты теории Эйнштейна, то появится поразительная возможность: массы черных дыр могут расти синхронно со Вселенной – явление, которое Крокер и его команда называют космологической связью.

Самый известный пример космологически связанного материала – это сам свет, который теряет энергию по мере роста Вселенной. «Мы думали рассмотреть обратный эффект», – сказал соавтор исследования, профессор физики и астрономии UH Mānoa Дункан Фарра. «Что бы LIGO-Дева наблюдала, если бы черные дыры были космологически связаны и получали энергию без потребности в потреблении других звезд или газа?»

Чтобы исследовать эту гипотезу, исследователи смоделировали рождение, жизнь и смерть миллионов пар больших звезд. Любые пары, в которых обе звезды умерли, образовав черные дыры, были связаны с размером Вселенной, начиная с момента их смерти. По мере того, как Вселенная продолжала расти, массы этих черных дыр росли по спирали навстречу друг другу. Результатом стали не только более массивные черные дыры, когда они слились, но и множество других слияний. Когда исследователи сравнили данные LIGO-Дева со своими предсказаниями, они согласились достаточно хорошо. «Я должен сказать, что сначала не знал, что и думать», – сказал соавтор исследования, профессор Мичиганского университета Грегори Тарле. «Это была такая простая идея, я был удивлен, что она так хорошо сработала».

По словам исследователей, эта новая модель важна, потому что она не требует каких-либо изменений в нашем нынешнем понимании звездообразования, эволюции или смерти. Согласие между новой моделью и нашими текущими данными происходит из простого признания того, что реалистичные черные дыры не существуют в статической Вселенной. Однако исследователи осторожно подчеркнули, что загадка LIGO – массивных черных дыр Девы далека от разгадки.

«Многие аспекты слияния черных дыр не известны в деталях, такие как доминирующая среда формирования и сложные физические процессы, которые сохраняются на протяжении всей их жизни», – сказал соавтор исследования и научный сотрудник НАСА доктор Майкл Зевин. «Хотя мы использовали моделирование звездного населения, которое отражает данные, которые у нас есть в настоящее время, есть много места для маневра. Мы видим, что космологическая связь – полезная идея, но мы пока не можем измерить силу этой связи ».

Соавтор исследования и профессор физики и астрономии UH Mānoa Куртис Нишимура выразил оптимизм в отношении будущих испытаний этой новой идеи: «Поскольку обсерватории гравитационных волн продолжают улучшать чувствительность в течение следующего десятилетия, увеличение количества и качества данных позволит провести новый анализ. техники. Скоро это будет измерено ».