Чёрные дыры в звёздных скоплениях возмущают пространство и время

Благодаря моделям поведения звёзд в скоплениях исследовательская группа Бонна выяснила, что они представляют собой идеальные условия для слияния чёрных дыр. Явления слияний производят колебания во времени и пространстве (гравитационные волны), которые можно будет определить при помощи инструментов, доступных не ранее 2015.

Скопления звёзд обнаруживаются повсюду в нашей и других галактиках, и предполагается, что в них формируется большинство звёзд. Самые маленькие свободные ‘открытые скопления’ состоят всего из нескольких звёзд, при этом самые крупные тесно объединённые ‘шаровые скопления’ включают несколько миллионов звёзд. Звёзды с самой большой массой в скоплениях исстрачивают своё водородное топлива довольно быстро (всего за несколько миллионов лет). Ядра этих звёзд взрываются, вызывая мощный взрыв сверхновой, в котором внешние слои звезды выбрасываются в космос. После взрыва остаётся звёздный след с гравитационным полем, настолько мощным, что даже свет не может спастись – чёрную дыру.

(Фото: LIGO Scientific Collaboration (LSC) / NASA)

Когда звёзды находятся так близко друг к другу, как в звёздных скоплениях, тогда вероятность столкновения и слияний между звёздами всех типов, включая чёрные дыры, намного выше, хотя это достаточно редкое событие. Черные дыры погружаются в центр скопления, где формируется ядро, полностью состоящее из чёрных дыр. В ядре чёрные дыры подвергаются ряду взаимодействий, иногда формируя бинарные пары, а иногда полностью выталкиваются из скопления.

Доктор Самбаран Банерджи (Sambaran Banerjee), научный сотрудник Александр фон Хумбольдт (Alexander von Humboldt) совместно с коллегами из Университета Бонна, доктором Хольгером Баумгардтом (Holger Baumgardt) и профессором Павлом Кроупа (Pavel Kroupa) разработали первую самостоятельную модель движения чёрных дыр в скоплении.

Учёные составили своё собственное скопление звёзд на высокопроизводительном суперкомпьютере, а затем рассчитали, как они будут развиваться, отслеживая движение каждой звезды и чёрной дыры внутри скопления.

Согласно основному предположению общей теории относительности Эйнштейна, бинарные чёрные дыры возмущают пространство-время вокруг них, вырабатывая волны, которые распространяются как рябь на поверхности озера. Эти искривления пространства-времени известны как гравитационные волны, они временно искажают любой объект, через который они проходят. Однако на данный момент никому не удалось их зафиксировать.

В ядрах звёздных скоплений бинарные чёрные дыры довольно тесно связаны, являясь существенным источником гравитационных волн. Если чёрные дыры в бинарной системе сливаются, образуется ещё более мощный импульс гравитационных волн, который излучает система.

На основе новых результатов новое поколение обсерваторий для наблюдения гравитационных волн, как Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (Advanced LIGO), смогут фиксировать десятки таких событий каждый год, на расстоянии почти в 5000 миллионов световых (для сравнения хорошо известная Галактика Андромеда находится всего в 2,5 миллионах световых лет).

Advanced LIGO будет запущена к 2015 году, и если учёные Бонна правы, с того момента нас ждёт начало новой эры астрономии гравитационных волн.