Учёные зафиксировали самое крупное слияние огромных чёрных дыр в космосе, сообщает EurekAlert. По данным издания, ученые совместной научной коллаборации LIGO-Virgo-KAGRA обнаружили слияние с помощью обсерваторий в американских городах Ханфорд и Ливингстон и датчиков гравитационных волн. Две чёрные дыры, масса которых превышает массу Солнца в 100 и 140 раз, начали вращаться вокруг друг друга с высокой скоростью. Объекты столкнулись, сформировав еще более крупную дыру. Это открытие проливает свет на формирование сверхмассивных черных дыр и эволюцию Вселенной. Разберём, как были обнаружены гравитационные волны, что говорит о слиянии черных дыр и почему это важно для астрофизики.
Что такое гравитационные волны и как их обнаруживают
Гравитационные волны — это рябь в ткани пространства-времени, вызванная ускорением массивных объектов, таких как черные дыры или нейтронные звезды. Интересно, что их существование предсказал Альберт Эйнштейн в своей общей теории относительности более 100 лет назад, но обнаружить их удалось только в 2015 году. Интересно, что для обнаружения гравитационных волн используются лазерные интерферометры, такие как LIGO в США и Virgo в Европе. Эти установки измеряют крошечные изменения в расстоянии между зеркалами, расположенными на расстоянии нескольких километров друг от друга. Когда гравитационная волна проходит через Землю, она слегка растягивает и сжимает пространство, что фиксируется интерферометром. Интересно, что изменения настолько малы — меньше, чем размер атомного ядра, — что их обнаружение стало возможным только благодаря современным технологиям и точности измерений.
Как произошло слияние черных дыр
Обнаруженное слияние включало две черные дыры с массами 100 и 140 солнечных масс, что делает их одними из самых массивных, когда-либо наблюдавшихся. Интересно, что эти черные дыры начали вращаться вокруг общей точки, постепенно сближаясь из-за потери энергии через гравитационные волны. По мере сближения их скорость вращения увеличивалась, достигая долей скорости света. Интересно, что в момент столкновения они выпустили энергию, эквивалентную примерно 8 солнечным массам, в виде гравитационных волн — это больше энергии, чем излучают все звезды видимой Вселенной вместе взятые в тот же момент времени. В результате слияния образовалась новая черная дыра массой около 230 солнечных масс, которая продолжает излучать гравитационные волны, постепенно успокаиваясь. Это событие произошло примерно 7 миллиардов лет назад в далекой галактике, и сигнал достиг Земли только сейчас.
Этапы слияния черных дыр
- Две черные дыры вращаются вокруг общей точки на больших расстояниях;
- Потеря энергии через гравитационные волны приводит к сближению объектов;
- Увеличение скорости вращения и интенсивности гравитационных волн;
- Момент столкновения и образование единой черной дыры;
- Излучение «звонка» — затухающих гравитационных волн новой черной дыры.
Значение для понимания сверхмассивных черных дыр
Это открытие имеет большое значение для понимания формирования сверхмассивных черных дыр, которые находятся в центрах большинства галактик, включая Млечный Путь. Интересно, что сверхмассивные черные дыры имеют массу от миллионов до миллиардов солнечных масс, и до сих пор неясно, как они образовались. Одна из теорий предполагает, что они формируются через последовательные слияния менее массивных черных дыр. Интересно, что обнаруженное слияние двух черных дыр с массами около 100 солнечных масс поддерживает эту теорию, показывая, что такие объекты действительно могут объединяться, создавая более массивные черные дыры. Это дает ученым важную подсказку о том, как могли формироваться сверхмассивные черные дыры в ранней Вселенной, когда времени для их роста было меньше, чем сейчас.
Технические достижения в обнаружении гравитационных волн
Обнаружение этого события стало возможным благодаря значительным улучшениям в чувствительности детекторов гравитационных волн. Интересно, что после модернизации в 2019 году обсерватории LIGO и Virgo стали в три раза чувствительнее, что позволило обнаруживать более слабые и удаленные события. Интересно, что в этом открытии также участвовала японская обсерватория KAGRA, которая впервые присоединилась к международной коллаборации, увеличив точность определения местоположения события в космосе. Совместная работа нескольких обсерваторий по всему миру позволяет не только обнаруживать гравитационные волны, но и определять их источник с высокой точностью. Эти технические достижения открыли новую эру в астрономии — эпоху гравитационно-волновой астрономии, где мы можем «слушать» Вселенную, а не только смотреть на нее.
Физика слияния и проверка теории относительности
Слияние черных дыр предоставляет уникальную возможность проверить предсказания общей теории относительности в экстремальных условиях. Интересно, что форма зарегистрированных гравитационных волн точно соответствует предсказаниям Эйнштейна, подтверждая теорию даже в условиях экстремальных гравитационных полей. Интересно, что в момент слияния гравитационное поле было настолько сильным, что пространство-время искривлялось в значительной степени, создавая условия, которые невозможно воспроизвести в лаборатории. Анализ формы гравитационных волн позволяет ученым измерить массы и спины черных дыр, а также проверить, нет ли отклонений от предсказаний общей теории относительности. Пока все данные подтверждают теорию Эйнштейна, но будущие, еще более чувствительные детекторы могут выявить отклонения, которые приведут к новой физике.
Космологические последствия открытия
Это открытие имеет важные космологические последствия для понимания эволюции Вселенной. Интересно, что частота обнаружения слияний черных дыр помогает ученым оценить, сколько таких объектов существует во Вселенной и как они распределены. Интересно, что массы обнаруженных черных дыр (100 и 140 солнечных масс) находятся в так называемом «пробеле масс», где, по некоторым теориям, черные дыры не должны существовать из-за физических процессов в звездах. Обнаружение таких объектов ставит под сомнение существующие теории звездной эволюции и требует пересмотра моделей формирования черных дыр. Кроме того, изучение слияний черных дыр может дать информацию о темпе расширения Вселенной и свойствах темной энергии. Это делает гравитационно-волновую астрономию мощным инструментом для изучения самых фундаментальных вопросов космологии.
Почему это важно для будущего астрономии
Это открытие знаменует собой новый этап в астрономии, где гравитационные волны становятся таким же важным инструментом наблюдения, как и телескопы. Интересно, что в отличие от света, гравитационные волны проходят через материю практически без помех, что позволяет «видеть» события, которые скрыты от оптических телескопов, такие как слияния черных дыр. Для науки это означает, что мы можем исследовать самые экстремальные явления во Вселенной, которые раньше были недоступны для наблюдения. Интересно, что будущие детекторы, такие как космический интерферометр LISA, смогут обнаруживать слияния сверхмассивных черных дыр, открывая окно в эпоху формирования галактик. Для всего человечества это напоминание о том, как много еще предстоит узнать о Вселенной и как технологии позволяют нам расширять границы нашего понимания. Каждое новое обнаружение гравитационных волн — это шаг к более полному пониманию истории и структуры нашей Вселенной.
