English Русский

19.01.2021

Чёрные дыры - большие самоеды!

 

Владимир Липунов, Евгений Горбовской, Валерия Гриншпун и Даниил Власенко, (Все команда МАСТЕР - МГУ им. М.В.Ломоносова + ГАИШ МГУ)
Black Holes LIGO/VirgoDomination and Single-lined Binaries with a Black Hole Candidate Component, MNRAS, DOI: 
10.1093/mnras/stab051, Acceptance date: 2021-01-08

arXiv:2101.08979

 

Хотя мы постоянно слышим и читаем про чёрные дыры, до сих пор учёным доподлинно неизвестно как они образуются. Нет, конечно, ещё с 30-х годов прошлого века известно, что большие и плотные объекты нестабильны - они обязательно схлопываются в чёрные дыры. Собака здесь зарыта в теории Эйнштейна. Ели в какой-нибудь фантастической лаборатории будущего, физики начнут сжимать кусок вещества, преодолевая силу давления, то окажется, что при некоторой достаточно большой плотности сопротивление вещества предательски само помогает хлопнуться в чёрную дыру. Ведь давление сопротивления сжатию звезды это сила на квадратный метр, а сила -это импульс частиц звезды, а импульс это энергия, энергия этомасса, а масса это источник тяготения.Но то в фантастической лаборатории, а в жизни? А в жизни все галактики Вселеннойзаполнены звездами, которые вот-вот сорвутся (и постоянно срываются)в чёрные дыры. Как правило это звезды в десятки раз массивнее Солнца. Живут они звёздами не долго в 1000 раз короче чем Вселенная. И живут они только потому, что внутри идут термоядерные реакция вещества из водорода в железо не давая звезде уплотниться. А железо, как известно, не горит.

Так из звёзд получаются чёрные дыры. Но какая часть звезды превращается в чёрную дыру во время коллапса?

На этот вопрос попытался ответить ваш покорный слуга c коллегами из команды МАСТЕР. Дело в том, что лет 40 назад два только что испечённых выпскника МГУ -астрофизики Виктор Корнилов и Владимир Липунов придумали "Машину сценариев". Это такая компьютерная программа которая позволяет создавать искусственные галактики, в которых звёзды живут не по реальным законам которых мы еще не знаем, а по неправильным или приблизительным. Например, мы хотим посчитать сколько в такой неправильной Вселенной рождается чёрных дыр. При этом мы не знаем как точно происходит процесс коллапса и просто вводим параметр KBHкоторый равен доле вещества превращающегося в чёрную дыру. Эта доля и показывает прожорливость в самоедстве! Очевидно 0< KBH < 1 . Не особо информативно? Пожалуй!

Однако не желая навязывать реальной Вселенной свою волю мы создали целый набор искусственных Вселенных- ведь у нас появилась волшебная Машина.

 

Правда дляэтого наша команда (это примерно человек 10, все они теперь кандидаты и доктора, а трое - профессора) поработали над софтом лет 15 и в 1997 году мы впервые научились регистрировать слияния чёрных дыр в этих лабораторных пробирках и колбах. И как мы не меняли прожорливость наших чёрных дыр, наши воображаемые гравитационно-волновые детекторы всё время детектировали черные дыры, а не нейтронные звезды, которых во Вселенной намного больше.


Голова Лох-несского чудовища. Расчёт Машины Сценнариев (Липунов, Постнов и Прохоров, 1997 г.). Отношение числа сливающихся чёрных дыр к числу нейтронных звёзд. Розовым цветом показаны результаты гравитационно-волновых наблюдений команды LIGO/Virgo.

Когда я рассказывал энтузиасту реального детектора гравитационных волн LIGO - Кипу Торну- что в нашей искусственной Вселенной, его воображаемый детектор всё время открывает чёрные дыры, он глядел на меня глазами будущего нобелевского лауреата и с англосаксонской упёртостью спрашивал, а что будет если мы откроем первыми нейтронные звёзды?Тогда я ему честно сказал, что тогда с неба исчезнет самых лучший в то время кандидат в чёрную дыру -Лебедь X-1,и Николай Шакура и его соавтор Рашид Сюняев перестанут быть соавторами самой цитируемой астрофизической работы XXвека. Это была не шутка. Дело в том, что мы не бездумно разбрасывалипрожорливость образующихся чёрных дыр, а следили за небом, что бы при переборе наших параметров, с неба не исчезали реальные чёрные дыры, или, наоборот, что бы на нём не возникало лишних, таких как радиопульсары с чёрными дырами. Так в 1997 году возник теперь уже знаменитый график-диаграмма "Голова Лох-несского Чудовища" (правда похожа!?). Это перед вамивариант рисунка представленный недавно в журнале MNRAS и теперь я рассказываю вам, что же нового мы обнаружили в 2020 году, когда уже отрыта сотня сливающихся чёрных дырна реальных детекторах и уже как три года назад за это вручена, в частности Кипу Торну, Нобелевская премия. Интересно, что если взять только опубликованные результаты (команда МАСТЕР знает обо всех), то на 40 пар черных дыр приходится всего 2 пары нейтронных звезд и первой естественно была открыта именно чернодырная парочка. А теперь посмотрим на Лох-несское чудовище. Если учтем все неопределённости, то отношение числа зарегистрированных сливающихся чёрных дыр к числу нейтронных звезд будет ~20 с большим плюс-минусом (розовые полосы). Мы видим, что согласие с реальной Вселенной наступает, только в том случае если прожорливость чёрных дыр во время коллапса превышает 90%!

Что это значит для реальной Вселенной? Чем прожорливее чёрная дыра , тем больше её масса! Но именно это и удивило всех теоретиков, когда детекторызарегистрировали две первых чёрных дыры с рекордной по тем временам массой по 30 масс Солнца каждая. При том, что самый крупный кандидат в чёрную дыру - Лебедь X-1 имел всего 10 масс Солнца! А недавно открыта парочка с суммарной массой 150 масс Солнца!


Распределение по массам сливающихся чёрных дыр в Искуственной (для разных скрытых парметров) и в реальной Вселенной (Столбцы-небоскрёбы)). Слева колонка так называемых "щебечущих" масс - это самые точные величины определяемые в эксперименте. Справа - просто распределение по сумме масс чёрных дыр. Видно, что нет проблем с объяснением результатов эксперимента. А вот справа выбивается одно событие, которое вполне может быть результатом эволюции не двойной, а тройной системы. Правада пока точность там невелика и всё может объясниться в рамках старого классического сценария эволюции двойных звёёзд, который был положен в основу Машины Сценариев, созданной на Ленинских горах в ГАИШ МГУ 40 лет назад!

А примерно год назад китайские астрономы в журнале нобелевских лауреатов - Nature- сообщают об открытии в нашей Галактике в обычной двойной системе с паре с голубой звездой, чёрную дыру с массой 80 масс Солнца! Вот так прожорливость!? Намечаласьнеожиданная связь между данными гравитационно-волновой астрономии и классической оптической спектроскопии. И там и здесь коэффициент прожорливости устремился к 100%!При этом толстушка двигалась про абсолютно круговой орбите, как будто во время коллапса она не сбросила лишний вес! Ну конечно - она прожорлива. Но тут пришлось разбираться с кандидатами в чёрные дыры в обычных звёздных парах с голубыми соседями. Правда сначала, астрономическое сообщество подвергло жесткой критики китайское открытие, но потом мы вчитались в новые данные по голубым звездам и вычитали, что в последнее десятилетие открыт целый класс голубых звёзд сневидимыми достаточно массивными объектами - кандидатами в чёрные дыры! И похоже все они двигаются по круглым орбитам, как будто взрыв сверхновой унес не более 5% массы системы.


Расчёт Машины Сценнариев. Чем прожорливее - тем круглее.

 

Воттакипоявиласьстатьяподназванием: "Black Holes LIGO/VirgoDomination and Single-lined Binaries with a Black Hole Candidate Component." Посмотрите на следующий рисунок 3 - мы с помощью Машины Сценариев промоделировали свойства орбит голубых звёзд с чёрными дырами. Подпись: Рисунок 3. Distribution of an eccentricity as a function  of kBH for Black Hole +Main Sequence Star systems.Если чёрная дыра становится прожорливее - её орбита становится кругленькой. Понятно, скажет сообразительный читатель, каламбур получается. Но этот каламбур может оказаться реальной судьбой массивных звёзд во Вселенной. Ведь сброшенная масса кроме массы уноситорбитальной импульс двойной системы и орбита сплющивается - у нее появляется эксцентриситет. Например если сброситься больше половины массы всей системы, то эксцентриситет станет больше 1,как у кометы Геннадия Борисова и чёрная дыра навсегда улетит из двойной системы. Наоборот, если прожорливость велика - система не распадается, аэксцентриситет будет несколько сотых, а орбита круглой - что и наблюдается! Парадокс заключается в том, что когда прожорливость стремится к единице, становится больше и больше чёрных дыр в искусственной Галактике, а это означает - растёт вероятность образования радиопульсаров в паре с чёрными дырами.А их нет на небе! И тут наша искусственная Вселенная начинает, как та корова из бомбардировщика, раскорячиваться всеми скрытыми параметрами эволюции и мы спускаемся пор шее Лох-несского чудовища в область консервативного коллапса, где живут прожорливые самоеды.

 

Материалы по теме:

Поездить на Машине Сценариев

 

Пожелание будущего Нобелевского лауреата!


ВМ

Последние новости

Все новости