Войти
Воспроизвести медиа Компьютерное моделирование двоичной системы черной дыры GW150914 глазами ближайшего наблюдателя, во время его заключительного вдоха, слияния и звонка. Звездное поле за черными дырами сильно искажается и, кажется, вращается и движется из-за сильного гравитационного линзирования, поскольку само пространство-время искажается и уносится вращающимися черными A бинарная черная дыра (BBH ) - это система, состоящая из двух черных дыр, находящихся на близкой орбите друг относительно друга. Подобно самим черным дырам, двойные черные дыры часто делятся на звездные двойные черные дыры, образованные либо как остатки массивных двойных звездных систем, либо динамическими процессами и взаимный захват, и двойные сверхмассивные черные дыры, которые считаются результатом слияния галактик.
На протяжении многих лет доказательство существования двойных черных дыр было затруднено из-за природы черных дыр сами по себе, и доступные ограниченные средства обнаружения. Однако в случае слияния пары черных дыр огромное количество энергии должно выделяться в виде гравитационных волн с характерными формами волн, которые можно рассчитать с помощью общая теория относительности. Поэтому в конце 20-го и начале 21-го века двойные черные дыры стали представлять большой научный интерес как потенциальный источник таких волн и средство, с помощью которого можно было бы доказать существование гравитационных волн. Бинарные слияния черных дыр будут одним из самых сильных известных источников гравитационных волн во Вселенной и, таким образом, дают хорошие шансы непосредственно обнаружить такие волны. По мере того, как вращающиеся черные дыры испускают эти волны, орбита затухает, и орбитальный период уменьшается. Эта стадия называется бинарной черной дырой на спиральной оси. Черные дыры сольются, когда они подойдут достаточно близко. После слияния единственное отверстие принимает стабильную форму через стадию, называемую кольцевым опусканием, где любое искажение формы рассеивается в виде новых гравитационных волн. За последнюю долю секунды черные дыры могут достичь чрезвычайно высокой скорости, а амплитуда гравитационной волны достигает своего пика.
Существование двойных черных дыр звездных масс (и самих гравитационных волн) было окончательно подтверждено, когда LIGO обнаружил GW150914 (обнаружен в сентябре 2015 г., объявлен в феврале 2016 г.), характерная гравитационная волновая характеристика двух сливающихся черных дыр звездной массы с массой около 30 солнечных каждая, происходящих на расстоянии около 1,3 миллиарда световых лет. За последние 20 мс спиралевидного движения внутрь и слияния GW150914 высвободил около 3 солнечных масс в качестве гравитационной энергии с пиком в 3,6 × 10 ватт - больше, чем объединенная мощность всего света, излучаемого всеми звездами. в наблюдаемой вселенной вместе взятых. Сверхмассивные бинарные кандидаты в черные дыры были найдены, но еще не получили категорического подтверждения.
Считается, что сверхмассивные двойные черные дыры образуются во время слияния галактик. Некоторыми вероятными кандидатами в двойные черные дыры являются галактики с двойными ядрами, которые все еще далеки друг от друга. Примером двойного ядра является NGC 6240. Гораздо более близкие двойные черные дыры, вероятно, находятся в галактиках с одним ядром и двойными эмиссионными линиями. Примеры включают и. У других галактических ядер есть периодические излучения, указывающие на то, что крупные объекты вращаются вокруг центральной черной дыры, например, в OJ287.
квазар PG 1302-102, похоже, имеет двойную черную дыру с периодом обращения 1900 г. дней.
существование двойных черных дыр звездной массы было продемонстрировано посредством первого обнаружения события слияния черных дыр GW150914 с помощью LIGO.
Когда две галактики сталкиваются, очень маловероятно, что сверхмассивные черные дыры в их центрах столкнутся лоб в лоб, и на самом деле они, скорее всего, пролетят мимо друг друга по гиперболическим траекториям, если какой-то механизм не приведет все вместе. Самый важный механизм - это динамическое трение, которое передает кинетическую энергию от черных дыр к ближайшему веществу. Когда черная дыра проходит мимо звезды, гравитационная рогатка ускоряет звезду, одновременно замедляя черную дыру.
Это замедляет черные дыры настолько, что они образуют связанную двойную систему, и дальнейшее динамическое трение отбирает орбитальную энергию у пары до тех пор, пока они не начнут вращаться в пределах нескольких парсек друг друга. Однако этот процесс также выбрасывает материю с орбитального пути, и по мере того, как орбиты сокращаются, объем пространства, через которое проходят черные дыры, уменьшается, пока не останется так мало вещества, что оно не могло бы вызвать слияние в эпоху Вселенной.
Гравитационные волны могут вызвать значительную потерю орбитальной энергии, но не раньше, чем расстояние уменьшится до гораздо меньшего значения, примерно 0,01–0,001 парсек.
Тем не менее, сверхмассивные черные дыры, похоже, слились, и в PKS 1302-102 наблюдалась пара в этом промежуточном диапазоне. Вопрос о том, как это происходит, является "последней проблемой парсека".
Было предложено несколько решений последней проблемы парсека. Большинство из них связаны с механизмами переноса дополнительной материи, либо звезд, либо газа, достаточно близко к двойной паре, чтобы извлечь энергию из двойной и вызвать ее сжатие. Если рядом с вращающейся парой пройдет достаточно звезд, их гравитационный выброс может свести две черные дыры вместе за астрономически вероятное время.
Один механизм, который, как известно, работает, хотя и нечасто, - это третья сверхмассивная черная дыра от второго галактического столкновения. Когда три черные дыры находятся в непосредственной близости, орбиты хаотичны и допускают три дополнительных механизма потери энергии:
Первая стадия жизни двойной черной дыры - это инспиральная, постепенно сокращающаяся орбита. Первые стадии вдоха занимают очень много времени, так как излучаемые гравитационные волны очень слабы, когда черные дыры находятся далеко друг от друга. В дополнение к сокращению орбиты из-за излучения гравитационных волн, дополнительный угловой момент может быть потерян из-за взаимодействия с другим присутствующим веществом, например с другими звездами.
По мере сужения орбиты черных дыр скорость увеличивается, а излучение гравитационных волн увеличивается. Когда черные дыры близки, гравитационные волны заставляют орбиту быстро сокращаться.
Последняя стабильная орбита или самая внутренняя стабильная круговая орбита (ISCO) - это самая внутренняя полная орбита перед переходом от инспиральной к слиянию.
За этим следует падение по орбите, на котором встречаются две черные дыры, за которым следует слияние. В это время пик излучения гравитационной волны.
Сразу после слияния теперь единственная черная дыра «зазвонит». Этот звон затухает на следующей стадии, называемой кольцом, за счет излучения гравитационных волн. Фаза обратного звонка начинается, когда черные дыры сближаются в пределах фотонной сферы. В этой области большая часть излучаемых гравитационных волн направляется к горизонту событий, и их амплитуда уменьшается. Дистанционно обнаруженные гравитационные волны имеют быстро уменьшающиеся колебания, поскольку отголоски события слияния возникают в результате все более и более узких спиралей вокруг образовавшейся черной дыры.
Первое наблюдение слияния двойных черных дыр звездных масс было выполнено детектором LIGO. По наблюдениям с Земли, 14 сентября 2015 года в 09:50 по всемирному координированному времени пара черных дыр с оценочной массой примерно в 36 и 29 раз больше, чем у Солнца, слились друг с другом и образовали черную дыру массой 62 солнечных (приблизительная). Три массы Солнца были преобразованы в гравитационное излучение за последнюю долю секунды с пиковой мощностью 3,6 × 10 эрг / секунду (200 солнечных масс в секунду), что в 50 раз превышает общую мощность излучения всех звезд в наблюдаемой Вселенной.. Слияние произошло на расстоянии 1,3 миллиарда световых лет от Земли, то есть 1,3 миллиарда лет назад. Наблюдаемый сигнал согласуется с предсказаниями численной теории относительности.
Некоторые упрощенные алгебраические модели могут быть использованы для случая, когда черные дыры находятся далеко друг от друга, во время инспиральной стадии и также решить для окончательного звонка.
Пост-ньютоновские приближения могут использоваться для инспирали. Они аппроксимируют уравнения поля общей теории относительности, добавляя дополнительные члены к уравнениям ньютоновской гравитации. Заказы, используемые в этих расчетах, можно обозначить как 2PN (пост-ньютоновский порядок второго порядка), 2,5 балла или 3PN (пост-ньютоновский порядок третьего порядка). Эффективное одно тело (EOB) решает динамику двойной системы черных дыр путем преобразования уравнений в уравнения одного объекта. Это особенно полезно, когда отношения масс велики, например, черная дыра звездной массы сливается с черной дырой ядра галактики, но также может использоваться для систем с равной массой.
Для кольцевания можно использовать теорию возмущений черной дыры. Последняя черная дыра Керра искажена, и спектр частот, который она производит, можно рассчитать.
Чтобы решить всю эволюцию, включая слияние, требуется решить полные уравнения общей теории относительности. Это можно сделать с помощью моделирования численной теории относительности. Численная теория относительности моделирует пространство-время и моделирует его изменение во времени. В этих расчетах важно иметь достаточно мелких деталей вблизи черных дыр и в то же время иметь достаточный объем, чтобы определять гравитационное излучение, распространяющееся до бесконечности. Для того, чтобы в нем было достаточно точек, чтобы их можно было вычислить за разумное время, можно использовать специальные системы координат, такие как координаты Бойера-Линдквиста или координаты «рыбий глаз».
Методы численной теории относительности постоянно улучшались по сравнению с первоначальными попытками в 1960-х и 1970-х годах. Однако долгосрочное моделирование движущихся по орбите черных дыр было невозможно до тех пор, пока три группы независимо друг от друга не разработали революционные новые методы моделирования движения, слияния и разрушения двойных черных дыр в 2005 году.
В целом слияние несколько из вышеперечисленных методов могут использоваться вместе. Затем важно сопоставить различные части модели, которые были разработаны с использованием разных алгоритмов. Проект Lazarus соединил части на космической гиперповерхности во время слияния.
Результаты расчетов могут включать энергию связи. На стабильной орбите энергия связи является локальным минимумом по отношению к возмущению параметра. На самой внутренней стабильной круговой орбите локальный минимум становится точкой перегиба.
Создаваемая форма гравитационной волны важна для предсказания и подтверждения наблюдений. Когда вдохновение достигает сильной зоны гравитационного поля, волны рассеиваются внутри зоны, образуя так называемый постньютоновский хвост (PN-хвост).
В фазе затухания черной дыры Керра, кадр -тягивание создает гравитационную волну с частотой горизонта. В отличие от этого, кольцо черной дыры Шварцшильда выглядит как рассеянная волна от последней инспиральной волны, но без прямой волны.
Сила реакции излучения может быть рассчитана по потоку гравитационных волн. Методом определения излучения является метод извлечения характеристик Коши CCE, который дает точную оценку потока на бесконечности без необходимости вычислять на все больших и больших конечных расстояниях.
Конечная масса образовавшейся черной дыры зависит от определения массы в общей теории относительности. Масса Бонди MBрассчитывается по формуле потери массы Бонди-Саха. 
Момент импульса также теряется в гравитационном излучении. Это в первую очередь по оси z начальной орбиты. Он рассчитывается путем интегрирования произведения многополярного метрического сигнала с дополнением функции новостей за запаздывающее время.
Одна из проблем, которые необходимо решить, - это форма или топология события . горизонт во время слияния черных дыр.
В числовых моделях тестовые геодезические вставляются, чтобы увидеть, встречаются ли они с горизонтом событий. Когда две черные дыры приближаются друг к другу, форма «утиного клюва» выступает из каждого из двух горизонтов событий по направлению к другому. Этот выступ расширяется все длиннее и уже, пока не встречается с выступом другой черной дыры. В этот момент горизонт событий имеет очень узкую X-образную форму в точке встречи. Выступы вытягиваются в тонкую нить. Точка встречи расширяется до примерно цилиндрического соединения, называемого мостом.
Моделирование по состоянию на 2011 год не дало никаких горизонтов событий с тороидальной топологией (кольцевой). Некоторые исследователи предположили, что это возможно, если, например, слияние нескольких черных дыр на одной почти круговой орбите.
Бинарный черный цвет может привести к неожиданному результату. дыры, которые сливаются, в том, что гравитационные волны несут импульс, и пара сливающихся черных дыр ускоряется, по-видимому, нарушая третий закон Ньютона. Центр тяжести может добавить более 1000 км / с скорости удара. Наибольшие скорости удара (приближающиеся к 5000 км / с) наблюдаются для двойных черных дыр с равной массой и равной величиной вращения, когда направления вращения оптимально ориентированы так, чтобы быть выровненными, параллельными плоскости орбиты или почти выровненными с орбитальный угловой момент. Этого достаточно, чтобы сбежать из больших галактик. При более вероятных ориентациях имеет место меньший эффект, возможно, всего несколько сотен километров в секунду. Такая скорость будет выталкивать сливающиеся бинарные черные дыры из шаровых скоплений, тем самым предотвращая образование массивных черных дыр в ядрах шаровых скоплений. В свою очередь, это снижает шансы на последующие слияния и, следовательно, вероятность обнаружения гравитационных волн. Для невращающихся черных дыр максимальная скорость отдачи 175 км / с наблюдается при массах, равных пяти к одному. Когда спины выровнены в плоскости орбиты, возможна отдача в 5000 км / с для двух одинаковых черных дыр. Параметры, которые могут представлять интерес, включают точку, в которой сливаются черные дыры, соотношение масс, которое дает максимальный толчок, и сколько массы / энергии излучается посредством гравитационных волн. При лобовом столкновении эта доля составляет 0,002 или 0,2%. Одним из лучших кандидатов на роль отскоченных сверхмассивных черных дыр является CXO J101527.2 + 625911.
Была выдвинута гипотеза, что двойные черные дыры могут передавать энергию и импульс космический корабль, использующий "", используя созданный набором нулевых геодезических петель позади, а затем вокруг одной из черных дыр перед возвращением в космический корабль. Отражение, проходящее через эти нулевые геодезические, образует один конец лазерного резонатора, а зеркало на космическом корабле формирует другой конец лазерного резонатора. Таким образом, даже космический корабль размером с планету разгонится до скорости, превышающей относительную скорость приближающейся черной дыры. Если это правда, сеть этих бинарных черных дыр может позволить путешествовать по галактике.
 | На Викискладе есть материалы, связанные с бинарными черными дырами.. |
