Загадка последнего парсека: что происходит на самом деле во время слияния черных дыр

Ученые знают, что черные дыры, объекты с самой высокой плотностью во Вселенной, поглощающие материю и не выпускающие ее наружу, могут сливаться, чтобы создать новую черную дыру. Что именно происходит внутри этих черных дыр, когда происходит процесс слияния точно не известно и ученые только догадываются об этом. Тем не менее известно, как происходит этот процесс, пишет Space.

У Фокус. Технологии появился свой Telegram-канал. Подписывайтесь, чтобы не пропускать самые свежие и захватывающие новости из мира науки!

Сближение черных дыр и потеря орбитальной энергии

Представьте себе две черные дыры, которые вращаются вокруг друг друга по длинным орбитам. Они могли возникнуть после смерти двойной звезды или же случайным образом сблизились в глубинах космоса. Для того, чтобы произошел процесс слияния, черные дыры должны сблизиться, а это означает потерю большого количества орбитальной энергии.

Изначально потеря орбитальной энергии происходит из-за взаимодействия черных дыр с окружающими объектами: межзвездным газом, звездами или планетами. Все эти объекты взаимодействуют с черной дырой с помощью гравитации. Иногда они падают в черную дыру, а иногда могут выбраться из крепких гравитационных объятий пожирателя материи. Таким образом теряется часть орбитальной энергии черной дыры.

Как только черные дыры оказываются достаточно близко, происходит другой процесс. Черные дыры изменяют пространство-время, вращаясь вокруг друг друга, и в результате возникают гравитационные волны, которые исходят от черных дыр, и они похожи на рябь на поверхности воды, когда по ней плывет лодка. Когда черные дыры находятся очень близко, то гравитационные волны способствуют потере орбитальной энергии.

Проблема последнего парсека

Но есть одна загадка, которая ставит в тупик астрофизиков. Она называется проблемой последнего парсека. Моделирование показало, что гравитационное взаимодействие с окружающей средой может привести черные дыры на расстояние в примерно 1 парсек (3,26 световых лет) друг от друга за длительное время. Но на таком расстоянии просто недостаточно материи, чтобы исчезала орбитальная энергия. С другой стороны, на том же расстоянии гравитационные волны слишком слабые и им потребуются десятки миллиардов лет, что больше возраста Вселенной, чтобы украсть орбитальную энергию.

Чтобы ни происходило, в конечном итоге черные дыры оказываются достаточно близко, чтобы гравитационные волны могли действительно вытянуть много энергии из системы. В этот момент у черных дыр остается всего несколько секунд до полного слияния.

На таком близком расстоянии черные дыры начинают деформировать друг друга. У черных дыр нет поверхности, а есть горизонт событий, то есть невидимая граница, преодолев которую материя уже не может покинуть черную дыру. Но форма горизонта событий зависит не только от самой черной дыры, но и от геометрии пространства-времени вокруг нее. Таким образом, когда черные дыры начинают процесс слияния, то их горизонты событий удлиняются и тянутся друг к другу.

Как происходит полное объединение двух черных дыр?

О том, что происходит дальше, ученые получили представление только с помощью моделирования. За миллисекунды до столкновения каждая черная дыра выпускает тонкий крошечный туннель своего горизонта событий к своему компаньону. Эти туннели встречаются и сливаются, образуя мост между двумя черными дырами, который их связывает. Очень быстро мост расширяется, горизонты событий соединяются и в одно мгновение черные дыры сливаются в один большой объект.

Что происходит внутри черных дыр остается загадкой. Центр черной дыры известен как сингулярность, то есть точка бесконечной плотности. Именно в этом месте не работают все известные нам законы физики. Моделирование показывает, что сингулярности быстро находят друг друга, недолго вращаются вокруг друг друга, а затем сливаются. Но что происходит там на самом деле астрофизики не знают.

Новая черная дыра менее массивная, чем те, что ее создали: почему?

Как ни странно, новая черная дыра имеет массу, которая меньше, чем общая масса черных дыр, которые ее создали. Несколько лет назад ученые обнаружили, что черная дыра с массой в 36 раз большей, чем у Солнца, слилась с черной дырой, у которой была масса в 30 раз больше, чем у нашей звезды. Но в итоге новая черная дыра стала иметь массу всего в 63 раза больше, чем у Солнца.

Астрофизики считают, что недостающая масса была преобразована в энергию в форме гравитационных волн. Для сравнения, это все равно, что преобразовать три Солнца в чистую энергию. Когда черные дыры сливаются, они выделяют больше энергии, чем каждая звезда во Вселенной.

Как уже писал Фокус, железо-60 не из нашего мира, так откуда взялся этот изотоп на Земле? Больше, чем любой другой, этот изотоп предупреждает нас о влиянии взрывающихся звезд на Солнечную систему.

Напоминаем, что некоторые астрофизики считают, что в самом начале истории Вселенной были созданы не совсем обычные черные дыры. Авторы нового исследования считают, что с их помощью можно впервые увидеть напрямую темную материю, как уже писал Фокус.