Ученые моделируют бинарные черные дыры перед их наблюдением

Астрономы продолжают разрабатывать компьютерное моделирование, чтобы помочь будущим обсерваториям лучше сосредоточиться на черных дырах, самых неуловимых обитателях Вселенной.

Хотя черные дыры, вероятно, существуют во Вселенной в изобилии, их, как известно, трудно увидеть. Ученые не сделали первое радиоизображение черной дыры до 2019 года, и только около четырех десятков слияний черных дыр было обнаружено через их сигнатурную гравитационную рябь с момента первого обнаружения в 2015 году.

Моделирование черной дыры

Это не так уж много данных для работы. Поэтому ученые обращаются к моделированию черной дыры, чтобы получить важную информацию, которая поможет найти больше слияний с будущими миссиями. Некоторые из этих симуляций, созданные такими учеными, как астрофизик Скотт Ноубл, отслеживают сверхмассивные двойные системы черных дыр. Именно здесь две чудовищные черные дыры, подобные тем, которые находятся в центрах галактик, вращаются вокруг друг друга, пока в конечном итоге не сольются.

В этом компьютерном моделировании сверхмассивных черных дыр, образовавшихся всего на 40 орбитах от слияния, газ ярко светится. Подобные модели могут в конечном итоге помочь ученым найти реальные примеры этих мощных двойных систем:

Моделирование, созданное компьютерами, работающими с наборами уравнений, слишком сложными для решения вручную, иллюстрируют, как материя взаимодействует в условиях слияния. Ученые могут использовать то, что они узнали о слияниях черных дыр, для определения некоторых характерных характеристик, которые позволяют им отличать слияния черных дыр от звездных событий. Затем астрономы могут искать эти контрольные признаки и определять слияния черных дыр в реальной жизни.

Ноубл, который работает в Центре космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд, сказал, что эти двойные системы излучают гравитационные волны и влияют на окружающие газы, что приводит к уникальным световым шоу, которое можно обнаружить с помощью обычных телескопов. Это позволяет ученым узнать о разных аспектах одной и той же системы. Наблюдения с использованием нескольких посылов, в которых сочетаются различные формы световых или гравитационных волн, могут позволить ученым усовершенствовать свои модели двойных систем черных дыр.

«Мы полагались на свет, чтобы увидеть все вокруг, – сказал Ноубл. – Но не все излучает свет, поэтому единственный способ напрямую «увидеть» две черные дыры – это через создаваемые ими гравитационные волны. Гравитационные волны и свет окружающего газа – это независимые способы изучения системы, и есть надежда, что они встретятся в одной точке».

Миссия LISA

Моделирование бинарных черных дыр также может помочь в миссии космической антенны лазерного интерферометра (LISA). Ожидается, что эта космическая обсерватория гравитационных волн, возглавляемая Европейским космическим агентством при значительном участии НАСА, будет запущена в 2034 году. Если моделирование определит, какие электромагнитные характеристики отличают двойную систему черных дыр от других событий, ученые смогут обнаружить эти системы до запуска LISA. В то же время эти наблюдения могут быть подтверждены дополнительными обнаружениями после запуска LISA, считает Ноубл.

Моделирование основано на коде, который описывает, как плотность и давление плазмы изменяются в областях с сильной гравитацией около одной черной дыры или нейтронной звезды, подчеркнул Ноубл. Он изменил код, чтобы две черные дыры могли развиваться.

Ноубл работает с Годдардом и партнерами по университету, включая Бернарда Келли из Мэрилендского университета, Мануэлу Кампанелли, возглавляющую группу исследователей в Рочестерском технологическом институте, и Джулиана Кролика, возглавляющего исследовательскую группу Университета Джона Хопкинса.

Имитация реальных ситуаций

Келли создает симуляции, используя специальный подход, называемый симуляцией движущегося прокола.

По словам Келли, это моделирование позволяет ученым избежать представления сингулярности внутри горизонта событий – части черной дыры, из которой ничто не может сбежать. Все, что находится за пределами этого горизонта событий, эволюционирует, в то время как объекты внутри остаются замороженными по сравнению с предыдущим этапом моделирования. Это позволяет ученым упускать из виду тот факт, что они не знают, что происходит в пределах горизонта событий.

Чтобы имитировать реальные ситуации, когда черные дыры накапливают аккреционные диски из газа, пыли и диффузного вещества, ученым необходимо включить дополнительный код, чтобы отслеживать, как ионизированный материал взаимодействует с магнитными полями.

«Мы пытаемся легко и правильно склеить различные коды и методы моделирования, чтобы создать единую целостную картину», – сказал Келли.

В 2018 году команда опубликовала в The Astrophysical Journal анализ нового моделирования, в котором полностью учтены физические эффекты общей теории относительности Эйнштейна, чтобы показать влияние слияния на окружающую среду. Моделирование установило, что газ в двойных системах черных дыр будет светиться преимущественно в ультрафиолетовом и рентгеновском свете.

Моделирование также показало, что аккреционные диски в этих системах не являются полностью гладкими. Образуется плотный сгусток, вращающийся вокруг двойной системы, и каждый раз, когда черная дыра приближается, она вытягивает материю из сгустка. Это столкновение нагревает вещество, производя яркий сигнал и создавая наблюдаемые колебания света.

Моделирование дает разгадку

Помимо повышения их уверенности в точности моделирования, астрофизик Годдарда Джереми Шнитман сказал, что им также необходимо иметь возможность применять один и тот же код моделирования к одной черной дыре или двоичной системе и показывать сходства, а также различия между двумя системами.

«Моделирование расскажет нам, как должны выглядеть системы, – отметил Шниттман. – LISA больше похожа на радиоантенну, чем на оптический телескоп. Мы собираемся услышать что-то во Вселенной и получить ее основное направление, но ничего очень точного. Что нам нужно сделать, так это взять другие телескопы и посмотреть в эту часть неба, и моделирование скажет нам, что искать, чтобы найти сливающуюся черную дыру».

Келли сказал, что LISA будет более чувствительным к более низким частотам гравитационных волн, чем нынешний наземный наблюдатель гравитационных волн, лазерная интерферометрическая обсерватория гравитационных волн (LIGO). Это означает, что LISA сможет обнаруживать двойные системы меньшей массы намного раньше и, вероятно, обнаружит сливающиеся системы вовремя, чтобы предупредить электромагнитные телескопы.

Для Шниттмана это моделирование является ключом к пониманию реальных данных, которые собирают LISA и другие космические аппараты. По словам Шниттмана, модели для бинарных черных дыр могут быть еще более убедительными, потому что у научного сообщества мало данных.

«Мы, вероятно, никогда не найдем двойную черную дыру с помощью телескопа, пока мы не смоделируем их до такой степени, что мы будем точно знать, что ищем, потому что они так далеко, они такие крошечные, что вы увидите всего одно пятнышко света, – подчеркнул Шниттман. – Нам нужно найти этот дымящийся пистолет».

Ученые также исследуют первые после Большого взрыва галактики и сверхмассивные черные дыры с помощью Уэбба