Моделирование слияния черных дыр
Черная дыра – самый странный и даже отчасти самый страшный объект во Вселенной. Странный – потому что до сих пор о нем известно не так уж много. В частности, ученые совершенно не знают, что находится в глубине черный дыры ниже ее гравитационного радиуса.
Гравитационный радиус – это размер, до которого нужно уменьшить тело, чтобы оно стало черной дырой. Например, если сжать Землю до гравитационного радиуса, получится черная дыра радиусом 0,9 см. Пока информация о черных дырах касается в основном их внешних слоев. Страшен же этот объект потому, что из мощнейшего гравитационного притяжения черной дыры не может вырваться даже свет, а ведь быстрее его, согласно теории относительности, ничто в мире двигаться не может. Так, если черная дыра окажется поблизости от нашей планеты, она поглотит ее, превратив предварительно в раскаленный газовый диск. И писать об ИТ после этого в нашем рукаве галактики будет некому (да и не для кого)…
Общепринято считать, что черные дыры являются остатком наиболее массивных сверхновых звезд II типа (сверхновые I типа оставляют после себя газопылевое облако). Второе условие появления черной дыры – остающееся после взрыва сверхновой звезды ядро массой больше предела Оппенгеймера-Волкова. Предел Оппенгеймера-Волкова – это то минимальное значение массы остатка сверхновой звезды, при котором давление нейтронов не может удержать нейтронную звезду от гравитационного коллапса – катастрофического сжатия до состояния точки (по современным представлениям, соответствует 2,5–3 солнечным массам).
Особо массивные черные дыры – от 100 тыс. до 10 млрд солнечных масс – находятся в центрах крупных галактик. Образовались они путем слияния большого количества обычных черных дыр вследствие интенсивного звездообразования (сначала звезды образовывались, затем массово взрывались, а после постепенно слились в огромные черные дыры). Подобный объект есть и в центре нашего Млечного Пути, он носит имя «Стрелец А» и составляет приблизительно 4,3 млн масс Солнца.
Таким образом, многие черные дыры в разное историческое время подверглись слиянию, образовав черную дыру массой, равной сумме исходных компонентов. В настоящее время этот процесс протекает менее регулярно, но все же такие события происходят и будут происходить. Так, приблизительно через 3 млрд лет галактика Млечный Путь, куда, как известно, входит и Солнечная система, столкнется с туманностью Андромеды, крупнейшей галактикой Местной группы, после чего черные дыры обеих галактик (у туманности Андромеды тоже присутствует центральная черная дыра) сольются, и галактики, таким образом, объединятся. Необходимо отметить, что это не принесет нашим потомкам беспокойств: звезды так далеки друг от друга, что при столкновении галактик происходит именно объединение их черных дыр, а звезды просто пролетают мимо друг друга.
Слияние черных дыр – процесс очень важный, позволяющий во многом понять всю эволюцию Вселенной. И протекает он совсем не так, как, к примеру, привычное смешивание двух жидкостей или столкновение двух массивных твердых тел. В процессе приближения двух черных дыр идет мощнейший всплеск гравитационных волн.
Процесс слияния происходит не одномоментно – черные дыры приближаются друг к другу по спиральным орбитам, радиус которых постепенно сокращается. Кроме того, наблюдаются джеты – мощнейшие выбросы материи в окружающее пространство с околосветовой скоростью. Даже после того как черные дыры коснулись друг друга горизонтами событий (это та область возле черной дыры, в пределах которой свет уже не может ее покинуть, поэтому она полностью невидима), они еще остаются отдельными – ведь предполагается, что плотность вещества в черной дыре практически бесконечна. Так, в планковской черной дыре (гипотетическая черная дыра с минимально возможной массой) плотность вещества составляет 1094 килограмма в кубическом метре.
Чтобы понять, как черные дыры сливаются, было проведено моделирование на суперкомпьютере в университете Колорадо (США) при участии NASA. Исследователи анализировали поведение мощных потоков раскаленного вещества, засасываемого черной дырой. Это вещество перед погружением в черную дыру разгоняется до околосветовых скоростей и интенсивно излучает электромагнитные волны в видимом и рентгеновском диапазонах.
Особое внимание при моделировании уделялось и гравитационному излучению. Несмотря на то что до сих пор гравитационные волны не были ни разу экспериментально обнаружены, они предсказаны в рамках общей теории относительности. Кроме того, имеются косвенные доказательства их существования, например на это указывают темпы сближения двойных звезд на очень близких орбитах. Гравитационные волны представляют собой «рябь» пространства-времени, распространяемую со скоростью света. Излучать гравитационные волны один объект сам по себе не может – это явление наблюдается только в паре, поэтому слияние черных дыр, особенно сверхмассивных, и порождает мощные гравитационные волны.
Опубликовано 22.06.2013