Космическая симфония: как маленькие черные дыры помогут услышать сверхмассивные
Обнаружение черных дыр — непростая задача, несмотря на их репутацию титанов космоса. Все черные дыры окружены односторонней границей, улавливающей свет — горизонтом событий, который не дает им излучать свет. Даже сверхмассивные черные дыры в сердце галактик с массой в миллионы или миллиарды раз больше Солнца заметны только в том случае, если они питаются огромным количеством окружающей материи или разрывают на части какую-нибудь звезду.
Однако свет, или электромагнитное излучение, как его правильнее называть, — лишь один из видов излучения. Другой — гравитационное излучение, то есть крошечные пульсации-волны, заставляющие гудеть пространство. Общая теория относительности предполагает, что гравитация возникает, когда объект с массой «искривляет» саму ткань пространства и времени, которые Альберт Эйнштейн объединял в единую четырехмерную сущность — три пространственных измерения, одно измерение времени, или «пространство-время». Чем больше масса, тем большую кривизну пространства создает объект. Это объясняет, почему у планет гравитационное влияние больше, чем у спутников, а у звезд больше, чем у планет.
Когда черные дыры вращаются вокруг друг друга, они обладают достаточной массой, чтобы генерировать сильные гравитационные волны. Но Эйнштейн предсказывал, что пространственно-временные пульсации будут слишком слабыми, чтобы их можно было когда-либо обнаружить, ведь они будут терять энергию по мере распространения в космосе. К счастью, великий физик ошибался.
В 2015 году лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория LIGO обнаружила первый сигнал гравитационных волн, который исходил от слияния бинарных черных дыр на расстоянии 1,3 млрд световых лет. Позже фиксировались слияния черных дыр с нейтронными звездами, а в начале 2023 года был необъясненный пока случай слияния массивной черной дыры с чем-то очень плотным, но очень маленьким. Предполагается, что это была первичная черная дыра.
Сверхмассивные слияния черных дыр неуловимы для наземных детекторов гравитационных волн. Волны, испускаемые вращающимися парами сверхмассивных черных дыр, слишком низкочастотны, чтобы их могли «услышать» наземные детекторы. Другими словами, своими гравитационными волнами бинары звездной массы «поют» сопрано, а сверхмассивные бинары — баритоном.
Группа астрофизиков под руководством бывших студентов Цюрихского университета предлагает новую идею и новый метод обнаружения пар крупнейших черных дыр в центрах галактик. В основе метода лежит анализ гравитационных волн, генерируемых бинарами близлежащих малых звездных черных дыр — остатков разрушившихся звезд.
Для этого потребуется детектор гравитационных волн с частотой деци-Гц. Он позволит обнаружить самые большие и «невидимые» бинары сверхмассивных черных дыр.
«Наша идея, по сути, работает как прослушивание радиоканала. Мы предлагаем использовать сигнал от пар маленьких черных дыр подобно тому, как радиоволны передают сигнал. Сверхмассивные черные дыры — музыка, закодированная в частотной модуляции обнаруженного сигнала», — отмечает ведущий автор исследования Якоб Штегманн.
По его словам, новизна идеи заключается в использовании высоких частот, которые легко обнаружить, для зондирования более низких частот, к которым земная аппаратура пока не чувствительна.
Суть в том, что маленькая бинарная черная дыра эффективно работает как маяк, сообщающий о существовании больших черных дыр. Обнаружив крошечные модуляции в сигналах от пар малых черных дыр, ученые смогут выявить ранее скрытые двойные сверхмассивные черные дыры с массой от 10 до 100 миллионов раз больше массы нашего Солнца — даже на огромных расстояниях.
Недостающее звено: астрономы нашли «промежуточную» черную дыру во Млечном Пути
Мертвые звезды генерируют вспышки света, объясняющие таинственные радиовсплески из глубин космоса
Теперь можно увидеть, как растут и развиваются черные дыры — вышла первая научная симуляция
