Рост перечня чёрных дыр поднимает вопрос о радикальном исследовании космоса

Одна чёрная дыра — это хорошо, но астрофизики могут выполнить гораздо больше научных исследований, если их 50. Когда в 2015 году было обнаружено первое столкновение чёрных дыр, это был переломный момент в истории астрономии. С помощью гравитационных волн астрономы наблюдали Вселенную совершенно новым образом. Но это первое событие не произвело революцию в нашем понимании чёрных дыр и не могло этого сделать. Астрономы знали, что это столкновение будет первым и только после многих таких столкновений придут ответы.

«Первое открытие было самым захватывающим в нашей жизни, — рассказывает Вики Калогера, астрофизик из Северо-Западного университета и участник совместной работы лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO), выполнившей обнаружение в 2015 году. — Однако невозможно заниматься астрофизикой по одному источнику».

Теперь физики гравитационных волн, такие как Калогера, говорят, что они вступают в новую эру астрономии чёрных дыр, движимую быстрым увеличением числа наблюдаемых чёрных дыр.

В последнем каталоге так называемых двойных слияний чёрных дыр (результата столкновения двух чёрных дыр, движущихся по спирали навстречу друг другу) в четыре раза увеличился объём данных о слияниях чёрных дыр, доступных для изучения. В настоящее время астрофизикам предстоит тщательно изучить почти 50 слияний, причём в ближайшие несколько месяцев ожидается ещё несколько десятков, а в ближайшие годы — ещё сотни.

«Гравитационные волны совершают революцию в астрофизике чёрных дыр, потому что эти числа так велики. И эти числа позволяют нам задавать качественно другие вопросы, — рассказывает Калогера. — Мы открыли сокровищницу».

На основе этих данных новые статистические исследования начинают раскрывать секреты этих загадочных объектов: как образуются чёрные дыры и почему они сливаются. Этот растущий список чёрных дыр также может предложить новый способ исследования космологической эволюции — от Большого взрыва до рождения первых звёзд и роста галактик.

«Я определённо не ожидала, что мы будем рассматривать эти вопросы так скоро после первого обнаружения, — сказала Майя Фишбах, астрофизик из Северо-западного университета. — Эта область просто взорвалось».

Откуда берутся чёрные дыры?

Прежде чем чёрные дыры можно будет использовать для изучения космоса в целом, астрофизики должны сначала выяснить, как они образуются. До сих пор в дебатах доминировали две теории.

Некоторые астрономы предполагают, что большинство чёрных дыр возникают внутри скоплений звёзд — областей, которые иногда в миллион раз плотнее, чем наш собственный галактический задний двор. 

Каждый раз, когда взрывается очень массивная звезда, она оставляет после себя чёрную дыру, которая опускается в середину звёздного скопления. В центре скопления становится тесно от чёрных дыр, которые вплетаются гравитацией в роковой космический танец. Астрономы называют этот процесс «динамическим» образованием чёрных дыр.

Другие предполагают, что двойные чёрные дыры происходят от пар звёзд в сравнительно пустынных областях галактик. После долгой и хаотичной совместной жизни они тоже взрываются, создавая пару «изолированных» чёрных дыр, которые продолжают вращаться друг вокруг друга.

«Создаётся впечатление, что существует борьба между динамическими и изолированными моделями», — сказал Дэниел Хольц, астрофизик из Чикагского университета.

Склонность многих теоретиков отстаивать только один канал образования двойных чёрных дыр частично проистекает из практики работы с очень небольшим количеством данных. «Каждое событие было с любовью проанализировано, на нём зацикливались, над ним тряслись, — рассказывает Хольц. — Мы выполняли обнаружение, а люди попытались формулировать очень широкие абстрактные утверждения на основе выборки размером в одну или две чёрные дыры».

Действительно, астрофизики использовали первое обнаружение, чтобы аргументировать противоположные выводы. В LIGO первое слияние чёрных дыр обнаружили чрезвычайно быстро, фактически до официального начала наблюдений. Это позволило предположить, что двойные системы чёрных дыр очень распространены во Вселенной. Поскольку изолированные чёрные дыры могут образовываться в широком диапазоне астрофизических сред, теории, которые благоволят изолированным чёрным дырам, предсказывают, что мы увидим много слияний.

Другие указывали, что в первом слиянии отмечены необычно большие чёрные дыры и что существование этих гигантов подтверждает динамическую теорию. Такие большие чёрные дыры, рассуждали они, могли образоваться только в ранней Вселенной, когда, как также считалось, образовались звездные скопления.

Тем не менее с размером выборки в одну единицу такие утверждения могут быть лишь «обоснованным предположением», считает Карл Родригес, астрофизик из Университета Карнеги-Меллона.

Теперь данные из последнего каталога LIGO показывают, что двойные чёрные дыры встречаются гораздо реже, чем ожидалось. Согласно статье, опубликованной Родригесом и его соавторами на сайте научных препринтов arxiv.org в январе 2021 года, фактически наблюдаемую в настоящее время частоту слияния чёрных дыр можно «полностью объяснить» звёздными скоплениями. (Вывод статьи более взвешен и предполагает, что важны как динамические, так и изолированные процессы.)

Кроме того, новые слияния позволили по-новому подойти к загадке происхождения чёрных дыр. Несмотря на свою неуловимую природу, чёрные дыры очень просты. Помимо массы и заряда единственная характеристика, которой может обладать чёрная дыра, — спин (мера скорости вращения). Если пара чёрных дыр и звёзды, из которых они образуются, живут всю свою жизнь вместе, постоянное отталкивание и притяжение согласуют скорости их вращения. Но если сталкиваются две несвязанные чёрные дыры, их вращение будет случайным.

После измерения спина чёрных дыр в наборе данных LIGO астрономы теперь предполагают, что динамические и изолированные сценарии почти одинаково вероятны. Нет «одного канала, который управлял бы ими всеми», написали астрофизик Майкл Зевин и его коллеги в препринте, описывающем множество различных путей, которые вместе могут объяснить эту новую растущую популяцию двойных чёрных дыр.

«Самый простой ответ — не всегда правильный, — утверждает Зевин. — Это более сложный ландшафт, и это, безусловно, более сложная задача. Но я также думаю, что и решать её интереснее».

Молодые чёрные дыры

LIGO и её сестринская обсерватория Virgo со временем также стали более чувствительными, т. е. теперь они могут видеть сталкивающиеся чёрные дыры, которые находятся гораздо дальше от Земли и намного дальше во времени. «Мы прослушиваем действительно большую часть Вселенной, когда она была намного моложе, чем сегодня», — сказала Фишбах.

В препринте Фишбах и её сотрудники указали на признаки различий в типах чёрных дыр, наблюдаемых в разные моменты истории космоса. В частности, более тяжёлые чёрные дыры, по-видимому, были более распространены в более ранние периоды истории Вселенной.

Это не стало неожиданностью для многих астрофизиков; они предполагают, что первые звезды во Вселенной образовались из огромных облаков водорода и гелия, поэтому они намного больше, чем более поздние звёзды. Чёрные дыры, созданные из этих звёзд, также должны быть огромными.

Но одно дело — предсказать, что произошло в ранней Вселенной, и совсем другое — наблюдать это. «Вы действительно можете начать использовать [чёрные дыры] в качестве индикатора формирования звёзд во Вселенной сквозь космическое время, а также собирания галактик, образующих эти звёзды и звёздные скопления. И всё это действительно очень здорово!» — сказал Родригес.

Это исследование — первый шаг к использованию больших наборов данных о чёрных дырах в качестве радикального инструмента изучения космоса. Астрономы создали удивительно точную модель эволюции Вселенной, известную как Лямбда-CDM. Но ни одна модель не идеальна. «Гравитационные волны предлагают способ измерения Вселенной, который полностью независим от любого другого метода в истории космологии, — заявил Сальваторе Витале, астрофизик из Массачусетского технологического института. — Если вы получаете те же результаты, вы лучше спите по ночам. Но если результаты различны, то это указывает на потенциальное недопонимание».

В настоящее время теоретики строят модели, охватывающие несколько сценариев образования чёрных дыр, и расписывают, как каждая из них эволюционирует в истории Вселенной. Физики гравитационных волн надеются, что в ближайшие месяцы и годы они смогут с уверенностью ответить на эти вопросы.

«Мы просто царапаем поверхность, — говорит Калогера. — Выборка всё ещё слишком мала, чтобы дать надёжный ответ, но, когда у нас будет 100 или 200 таких [слияний], я думаю, мы получим чёткие ответы. Мы уже не так далеко».

Многие космические объекты, например экзопланеты сегодня обнаруживают при помощи глубокого обучения. Если вам интересна эта сфера, обратите внимание на наш курс "Machine Learning и Deep Learning", партнёром которого является компания Nvidia. Не менее важен и анализ наблюдаемых данных, без которого современная наука, изучающая их огромные массивы, не жизнеспособна. Специалисты разного профиля необходимы и бизнесу, чтобы правильно подойти к анализу данных, поэтому, чтобы подняться выше по карьерной лестнице, приходите к нам — наши менторы и специалисты высокого класса ответят на сложные вопросы.

Узнайте, как прокачаться и в других специальностях или освоить их с нуля:

• Профессия Data Scientist

• Профессия Data Analyst

• Курс по Data Engineering