Расширение Вселенной напрямую влияет на рост черных дыр, согласно новому исследованию
За последние годы обсерватории гравитационных волн обнаружили слияния черных дыр, подтвердив главное предсказание теории гравитации Альберта Эйнштейна. Но есть проблема — многие из этих черных дыр неожиданно велики. Теперь группа исследователей из Гавайского университета в Маноа, Чикагского университета и Мичиганского университета в Анн-Арборе предложила новое решение этой проблемы: черные дыры растут вместе с расширением Вселенной.
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. Первоначально физики ожидали, что черные дыры будут иметь массу менее чем 40 масс Солнца, потому что сливающиеся черные дыры возникают из массивных звезд, которые не могут удержаться вместе, если они становятся слишком большими.
Обсерватории LIGO и Virgo, однако, обнаружили множество черных дыр с массой больше, чем 50 масс Солнца, а некоторые из них имеют массу до 100 солнечных. 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 Astrophysical Journal Letters, впервые показывает, что как большие, так и малые массы черных дыр могут возникнуть в результате единственного пути, по которому черные дыры набирают массу в результате расширения самой Вселенной.
Астрономы обычно моделируют черные дыры во Вселенной, которая не может расширяться. «Это предположение упрощает уравнения Эйнштейна, потому что Вселенная, которая не растет, проще», — 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 продолжаются 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 Кевин 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 наблюдала LIGO-Virgo, если бы черные дыры были космологически связаны и получали энергию без потребности в потреблении других звезд или газа?»
Чтобы исследовать эту гипотезу, ученые 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-Virgo со своими предсказаниями, они согласовывались 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 звезд. Согласие между новой моделью и текущими данными происходит из простого признания того, что реалистичные черные дыры не существуют в статической Вселенной. Однако исследователи осторожно подчеркнули, что загадка массивных черных дыр еще далека от решения.
«Многие аспекты слияния черных дыр не известны в деталях, такие как доминирующая среда образования и сложные физические процессы, которые сохраняются на протяжении всей их жизни», — сказал соавтор исследования и научный сотрудник НАСА доктор Майкл Зевин. «Хотя мы использовали моделированное звездное население, которое отражает данные, которые у нас есть в настоящее время, есть много возможностей 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 исследований: «Поскольку обсерватории гравитационных волн будут продолжать улучшать чувствительность, увеличение количества и качества данных позволит провести новый анализ. Это будет измерено достаточно скоро».