После Большого взрыва слияние сверхмассивных черных дыр не имеет себе равных. Вот как мы найдем первый.
На прошлой неделе рентгеновская обсерватория НАСА «Чандра» вошла в историю, объявив о самом мощном взрыве, когда-либо обнаруженном во Вселенной. В скоплении галактик на расстоянии около 390 миллионов световых лет сверхмассивная черная дыра испустила струю, которая создала огромную полость в межгалактическом пространстве этого скопления галактик. Общее количество энергии, необходимое для создания этого наблюдаемого явления? 5 × 10⁵⁴ Дж: больше энергии, чем любое событие, наблюдавшееся со времен Большого взрыва.
Но во Вселенной определенно существует другой класс событий, которые могут выдать еще больше энергии за более короткий промежуток времени: слияние двух сверхмассивных черных дыр. Хотя мы никогда не видели такого события, это только вопрос времени и технологий, когда оно откроется нам. Когда это произойдет, старый рекордсмен будет повержен, возможно, в огромной степени. Вот как.
В естественной Вселенной происходит множество событий, которые можно считать либо взрывами, либо катаклизмами, когда за короткий промежуток времени высвобождается большое количество энергии. Очень массивная звезда, которая достигает конца своей жизни, взорвется катастрофической сверхновой типа II, создав либо черную дыру, либо нейтронную звезду в виде звездного трупа. За последние несколько секунд своей жизни он высвободит около 10⁴⁴ Дж энергии, а гиперновые (или сверхсветящиеся сверхновые) достигают в 100 раз больше энергии.
Долгое время сверхновые звезды использовались в качестве эталона, по которому измерялись все остальные катаклизмы. Как самые яркие электромагнитные явления на небе, они могут затмить целые галактики, в зависимости от их индивидуальной яркости и общей массы рассматриваемой галактики.
Единственными явлениями, которые могли соперничать с энергией, высвобождаемой при сверхновой, или превосходить ее, были гамма-всплески или более масштабные продолжительные события, такие как слияние галактик или скоплений галактик, или сверхмассивные черные дыры, питающиеся огромным количеством иметь значение. В течение 2010-х мы раскрыли происхождение по крайней мере некоторых гамма-всплесков: килоновых или слияния двух нейтронных звезд. Между гравитационными волнами и электромагнитным излучением значительное количество массы - около ~10²⁹ килограммов - преобразуется в чистую энергию, что приводит к высвобождению энергии около 10⁴⁶ Дж.
С другой стороны, активные галактики и квазары могут быть еще более энергичными. Огромные количества массы, возможно, миллионы или даже миллиарды солнечных масс, могут попасть в центральную сверхмассивную черную дыру, где она будет разорвана, аккрецирована и ускорена. Испускаемое вещество и излучение могут достигать в общей сложности ~ 10⁵⁴ Дж энергии, хотя они излучаются в течение примерно миллиона лет (или более) во времени.
Но Вселенная дает нам возможность излучать еще большее количество энергии и делать это в гораздо более короткие промежутки времени. Ключ к разгадке этого был найден в прошлом десятилетии, когда Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) NSF обнаружила первое событие гравитационных волн: от двух сливающихся черных дыр. В самом первом случае две черные дыры с двумя разными массами (36 и 29 масс Солнца соответственно) слились вместе, образовав в конечном состоянии черную дыру меньшей массы (62 массы Солнца).
Это было чрезвычайно важное событие, благодаря которому ряд ученых получили Нобелевскую премию 2017 года за открытие гравитационных волн. В последующие годы было обнаружено гораздо больше слияний черных дыр и кандидатов на слияние, из которых на данный момент известно около 50 (на сегодняшний день). Во всех случаях наблюдалось одно и то же причудливое и увлекательное поведение: большое количество массы преобразуется в чистую энергию всего за несколько миллисекунд.
Два момента, особенно чрезвычайно интересные в этих слияниях черных дыр.
- Во всех случаях пиковая излучаемая мощность, или энергия за время, была примерно одинаковой. Все они затмили все звезды во Вселенной вместе взятые за крошечную долю секунды, но пиковая выходная мощность более массивных слияний происходила в течение более длительных периодов времени, излучая больше общей энергии.
- Вы можете сделать очень простое приближение для общего количества энергии, высвобождаемой в гравитационных волнах при слиянии черной дыры и черной дыры: около 10% массы черной дыры с меньшей массой преобразуется в чистая энергия, согласно формуле Эйнштейна E=mc².
Для первого из когда-либо обнаруженных слияний черных дыр общее количество излучаемой энергии составило ~10⁴⁷ Дж, и это произошло за временной интервал, охватывающий всего 200 миллисекунд или около того, что привело к захватывающему возможность.
Вместо слияния двух черных дыр «звездной массы», где масса каждой черной дыры колеблется от нескольких до нескольких десятков солнечных масс, мы могли бы обратиться к самым массивным черным дырам во Вселенной: сверхмассивные, найденные в центрах галактик. Когда они сольются вместе, развернется ряд событий, которые приведут к наибольшему выбросу энергии, который - по крайней мере теоретически - должен когда-либо происходить в нашей Вселенной после Большого Взрыва.
В частности:
- при слиянии двух галактик их черные дыры будут преимущественно опускаться к новому общему центру из-за гравитационного взаимодействия между другими массами.
- Взаимодействия с газом и другим обычным веществом какое-то время будут преобладать, что приведет к относительно плотной короткопериодической орбите этих черных дыр.
- На заключительных стадиях слияния, длящихся примерно 25 миллионов лет, будут доминировать гравитационные волны, что приведет к расширенному сценарию вдохновения и слияния, хотя и далеко за пределами досягаемости детекторов, таких как LIGO.
Когда две черные дыры сливаются вместе, их взаимная спираль вызывает деформацию пространства, а их движение через это деформированное пространство приводит к излучению гравитационного излучения, которое уносит энергию от черной дыры-черной дыры системы и во Вселенную за ее пределами. Учитывая, что нам известны черные дыры, масса которых во много миллиардов раз превышает массу нашего Солнца, слияние черных дыр массой в сотни миллионов солнечных с черными дырами массой в несколько миллиардов солнечных является неизбежным.
В частности, одна система, OJ 287, состоит из черной дыры массой 150 миллионов солнечных масс на близкой орбите вокруг черной дыры массой примерно 18 миллиардов солнечных. Когда они сливаются, за несколько часов высвобождается ~3 × 10⁵⁴ Дж энергии. К сожалению, частота будет неправильной для обнаружения LIGO или даже LISA. Но в преддверии слияния другой метод - основанный на синхронизации пульсаров - мог бы выявить такое большое слияние, особенно если две массы в конце концов были ближе друг к другу по величине.
Первые сверхмассивные черные дыры, которые вдохновляют, согласно нашим лучшим современным оценкам, должны быть обнаружены в этом десятилетии с помощью передовых массивов синхронизации пульсаров, таких как NANOGrav, European Pulsar Timing Array и Parkes Pulsar Timing Array. По мере того, как эти сверхмассивные черные дыры движутся по спирали, они должны излучать гравитационные волны с достаточно большой амплитудой и предсказуемой наблюдаемой частотой, что означает, - если мы поймем, как моделировать частоту и популяцию этих сверхмассивных двойных черных дыр, - в 2020-х годах мы должны обнаружить наш первый.
Когда мы обнаружили наше первое слияние черных дыр, был короткий период времени продолжительностью менее 200 миллисекунд, когда это слияние произвело больше энергии, чем все звезды во Вселенной вместе взятые. Если мы сможем найти слияние сверхмассивных черных дыр, меньшая масса которых превышает 500 миллионов масс Солнца, то оно не только будет излучать больше энергии, чем все звезды во Вселенной в течение примерно недели, но и станет самым энергичным событием со времен Большой взрыв, испустивший за этот промежуток времени более ~10⁵⁵ Дж.
Но вполне вероятно, что есть много примеров, особенно в богатых галактических скоплениях, когда две черные дыры с массой в миллиарды или даже десятки миллиардов солнечных сольются вместе. Например, в скоплении Волос две самые массивные галактики - это NGC 4889 с черной дырой в 21 миллиард масс Солнца и NGC 4874, которая выглядит более массивной и имеет в два раза больше шаровых скоплений, но ее черная дыра крупнее. неизвестная масса.
У нас не будет просто гравитационных волн, которые нужно искать, когда сольются две сверхмассивные галактики, содержащие черные дыры. Они должны излучать контрольные признаки электромагнитного излучения, особенно в рентгеновском диапазоне, что должно дать возможность одновременно изучать эти мега-события в гравитационных волнах и электромагнитных сигналах, даже до того, как они сольются. С Athena ЕКА и Lynx НАСА, которые потенциально могут увеличить наш арсенал рентгеновской астрономии, мы, возможно, наконец обнаружим прототип того, что обещает стать самым энергичным событием во Вселенной.
Одним из самых замечательных фактов о слиянии черных дыр является то, что максимальная скорость испускаемой энергии гравитационных волн вообще не зависит от их массы, а скорее определяется фундаментальными константами Вселенной. Чем тяжелее ваши черные дыры, тем больше энергии они излучают, но они делают это в течение более длительного периода времени, а не в виде всплеска большей величины. Они по-прежнему должны представлять собой самые энергичные события во всей Вселенной, но самые массивные из всех должны иметь свои самые энергичные сигналы, распространяющиеся на последние годы или даже десятилетия, а не излучаемые за несколько миллисекунд.
Благодаря постоянно совершенствующемуся набору инструментов, детекторов и новых методов первые намеки на слияние сверхмассивных двойных черных дыр могут появиться позже в этом десятилетии, что станет невероятным событием для гравитационно-волновой астрономии. наука, которая впервые добилась успеха менее 5 лет назад. Слияния сверхмассивных двойных черных дыр, несомненно, являются самым энергичным одиночным событием во всей Вселенной после Большого взрыва. Впервые они могут наконец оказаться в пределах нашей досягаемости.
Автор благодарит Drs. Chiara Mingarelli, Leo Stein, Joey Neilsen, Bernard Kelly и Karan Jani за любезно предоставленные подробные факты о слиянии черных дыр, которые использовались при написании этой статьи.