Czarne dziury będą napędzane falami grawitacyjnymi z prędkością 10% prędkości światła

Nazwa czarna dziura została ukuta przez Johna Wheelera dla obszaru przestrzeni otoczonego horyzontem zdarzeń, który zachowuje się jak membrana, którą można przekroczyć tylko w jednym kierunku. Aby wejść do tego obszaru i wyjść, konieczna byłaby możliwość przekroczenia prędkość światła.

Wheeler mówił także o teorii geometrii dynamicznej, to znaczy teorii czasoprzestrzeni o zmiennej krzywiźnie, aby przedstawić teorię grawitacji Einsteina i, bardziej ogólnie, podstawową teorię fizyki, która jednoczy czasoprzestrzeń, materię i pole elektromagnetyczne w jedną całość. ramy geometryczne. Dostrzegł podobieństwa między hydrodynamiką a geometrią dynamiczną, co umożliwiło wyobrażenie sobie sprawdzania nieliniowego układu równań Einsteina (bardzo trudnego do zbadania obliczeniami analitycznymi na papierze) za pomocą metod numerycznych na komputerach, tak jak to robiono już za jego czasów, zwłaszcza na Manhattanie. Projekt kierowany przez Oppenheimera z równania Naviera-Stokesa w mechanice płynów.

Okazuje się, że fale grawitacyjne ze zderzających się czarnych dziur faktycznie są obecnie wykrywane i badane w oparciu po części o symulacje komputerowe, których wyniki są następnie porównywane z sygnałami rejestrowanymi przez detektory: Virgo, LIGO i CAGRA.

Jeden z ostatnich odcinków sagi o falach grawitacyjnych i zderzających się czarnych dziurach można przeczytać w artykule opublikowanym w miesięczniku Listy z przeglądu fizycznego Podpisano przez Jamesa Healy’ego i Carlosa Lusto Instytut Technologii w Rochester (Zjednoczone państwo).

Czy wiesz, że sformułowanie równania ogólnej teorii względności zajęło Albertowi Einsteinowi osiem lat myślenia i kilku przyjaciół matematyków? Posłuchajcie jego historii w nowym odcinku Główne równania fizyki ! © Badania CEA

Czarne dziury pędzą jak rakiety

Powinieneś wiedzieć, że podobnie jak gwiazdy, z których powstają w wyniku zapadania się grawitacyjnego, gwiezdne czarne dziury również muszą znajdować się w stanie rotacji. Są to zwarte gwiazdy relatywistyczne opisane słynnym rozwiązaniem Kerra, które opisuje czarne dziury jedynie na podstawie znajomości ich mas i momentów kątowych.

Możemy użyć analogii do opisania tych czarnych dziur, które mają dipole magnetyczne, czyli zwykłe sztabki magnetyczne. Tak jak zderzenia między magnesami będą zależeć od względnej orientacji magnetosfer, tak zderzenia między czarnymi dziurami Keira będą zależeć od względnej orientacji ich osi obrotu.

Wiadomo, że podczas zderzeń czarnych dziur pole grawitacyjne zostaje zakłócone przez emisję fal grawitacyjnych, których intensywność zależy od kierunku. Ale fale te charakteryzują się dużym ruchem, co powoduje, że odpowiednik kulistej gwiazdy eksploduje w różny sposób w zależności od kierunku, w taki sposób, że może wystąpić rodzaj efektu rakiety, który popycha eksplodującą gwiazdę.

W obecnym przypadku efektowi będzie towarzyszyć powstanie nowej czarnej dziury w wyniku połączenia dwóch poprzednich gwiazd, dzięki czemu ta nowa połączona gwiazda może zostać wyrzucona ze swojej początkowej orbity w Drodze Mlecznej, a następnie zatonąć na wysokościach prędkość w określonym kierunku. .

Obejrzyj film przedstawiający Pannę i poszukiwania fal grawitacyjnych. © Narodowe Centrum Badań Naukowych

Healey i Lustow byli w stanie przeprowadzić dokładniejszą symulację tego zjawiska za pomocą superkomputera i doszli do wniosku, że prędkość uzyskana przez nową czarną dziurę może co najwyżej osiągnąć około 10% prędkości światła. Wymaga to jednak, aby osie obrotu czarnych dziur były równoległe, a ich obroty odbywały się w przeciwnych kierunkach. W szczególności badacze przeprowadzili 1381 pełnych symulacji numerycznych zderzeń pomiędzy dwiema czarnymi dziurami o jednakowej masie i przeciwnych spinach skierowanych wzdłuż ich płaszczyzny orbity. W ten sposób uzyskali prędkość maksymalną 28,562 kilometrów na sekundę, czyli ponad 100 milionów kilometrów na godzinę. Dla informacji, prędkość ucieczki obiektu przecinającego galaktykę Drogi Mlecznej z pełną prędkością z obszaru Słońca wynosi 497 kilometrów na sekundę.

Być może znamy już przykład scenariusza czarnej dziury napędzanego falami grawitacyjnymi towarzyszącymi jej powstaniu, ujawniony przez źródło fal GW200129. Rzeczywiście podejrzewa się inny przypadek, ale dotyczący supermasywnych czarnych dziur i przypadku czarnej dziury znajdującej się za kwazarem 3C 186, która wydaje się opuszczać jądro galaktyki macierzystej z prędkością 2000 km/s.

Możemy obliczyć, że energia i siła fali, która mogła napędzać tę czarną dziurę, była równa eksplozji 100 milionów supernowych!

Może więc istnieć wiele czarnych dziur pędzących z niesamowitą prędkością zarówno w galaktykach, jak i pomiędzy nimi.

Klucz do tajemnicy czarnych dziur Lego i Virgo?

Jak Futura wyjaśniła w poprzednim artykule, wynik ten jest szczególnie interesujący w kontekście teorii wyjaśniających powstawanie czarnych dziur o masie kilkudziesięciu mas Słońca, a nawet czarnych dziur o masach pośrednich, w szczególnie gęstych środowiskach gwiazdowych, takich jak jako gromady kuliste. i gromady gwiazd jądrowych. Rzeczywiście, scenariusze te zależą od sekwencyjnego tworzenia się podwójnych czarnych dziur, które połączą się spiralnie ku sobie po utracie energii w wyniku emisji fal grawitacyjnych, zgodnie z procesem znanym obecnie jako klasyczny. Nagła faza ciągu ostatniej czarnej dziury może pomóc w zapoczątkowaniu spotkania z inną czarną dziurą, a tym samym wywołać powstawanie podwójnych czarnych dziur, co powtarzałoby proces prowadzący do ciągłego wzrostu masy czarnych dziur, od zapadania się gwiazd do pośrednie czarne dziury.

Przypomnijmy, że masy gwiezdnych czarnych dziur odkrytych przed sukcesami Ligo i Panny były co najwyżej rzędu 10 mas Słońca, a więc często mniejsze. Pierwsze wykryte połączenia czarnych dziur wykazały masy kilkudziesięciu mas Słońca dla każdej z zaangażowanych gwiazd, co jest trudne do wyjaśnienia przy użyciu standardowego scenariusza powstawania gwiazdowych czarnych dziur.