|
Слияния черных дыр в галактиках, подобных нашей
|
|
|
|
Черные дыры, одни из самых завораживающих объектов в космосе, обладают огромным гравитационным притяжением, настолько сильным, что даже свет не может покинуть их. Новаторское обнаружение гравитационных волн в 2015 году, вызванное слиянием двух черных дыр, открыло новое окно во Вселенную. С тех пор десятки таких наблюдений вызвали у астрофизиков стремление понять их астрофизическое происхождение. Благодаря недавним значительным достижениям кода POSYDON в моделировании популяций двойных звезд группа ученых, в том числе представители Женевского университета (UNIGE), Северо-Западного университета и Университета Флориды (UF), предсказала существование сливающихся массивных 30 солнечных массивные двойные черные дыры в галактиках, подобных Млечному Пути, что бросает вызов предыдущим теориям. Эти результаты опубликованы в журнале Nature Astronomy.
|
|
|
|
Черные дыры звездной массы — это небесные объекты, рожденные в результате коллапса звезд с массами от нескольких до сотен раз больше, чем у нашего Солнца. Их гравитационное поле настолько сильное, что ни материя, ни излучение не могут уклониться от них, что делает их обнаружение чрезвычайно трудным. Поэтому, когда Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) в 2015 году обнаружила крошечную рябь в пространстве-времени, вызванную слиянием двух черных дыр, это было воспринято как переломный момент. По словам астрофизиков, две сливающиеся черные дыры в источнике сигнала были примерно в 30 раз тяжелее Солнца и находились на расстоянии 1,5 миллиарда световых лет. Какие механизмы производят эти черные дыры? Являются ли они продуктом эволюции двух звезд, похожих на наше Солнце, но значительно более массивных, развивающихся в двойной системе? Или они возникают из-за того, что черные дыры в густонаселенных звездных скоплениях случайно сталкиваются друг с другом? Или может быть задействован более экзотический механизм? Все эти вопросы до сих пор являются предметом горячих дискуссий.
|
|
|
Сотрудничество POSYDON, группа ученых из таких институтов, как Женевский университет (UNIGE), Северо-Западный университет и Университет Флориды (UF), добилась значительных успехов в моделировании популяций двойных звезд. Эта работа помогает давать более точные ответы и согласовывать теоретические предсказания с данными наблюдений. «Поскольку невозможно напрямую наблюдать за образованием сливающихся двойных черных дыр, необходимо полагаться на моделирование, которое воспроизводит их наблюдательные свойства. Мы делаем это, моделируя системы двойных звезд от их рождения до образования двойной черной дыры. систем», — объясняет Симона Бавера, научный сотрудник кафедры астрономии факультета естественных наук UNIGE и ведущий автор этого исследования. Интерпретация происхождения слияния двойных черных дыр, таких как наблюдаемые в 2015 году, требует сравнения предсказаний теоретической модели с фактическими наблюдениями. Метод, используемый для моделирования этих систем, известен как «синтез бинарной популяции».
|
|
|
|
«Этот метод моделирует эволюцию десятков миллионов двойных звездных систем, чтобы оценить статистические свойства результирующей популяции источников гравитационных волн. Однако для достижения этого в разумные сроки исследователи до сих пор полагались на модели, которые используют приблизительные методы для моделирования эволюции звезд и их двойных взаимодействий. Следовательно, чрезмерное упрощение физики одиночных и двойных звезд приводит к менее точным предсказаниям», — объясняет Анастасиос Фрагкос, доцент кафедры астрономии факультета естественных наук UNIGE. POSYDON преодолел эти ограничения. Разработанное как программное обеспечение с открытым исходным кодом, оно использует предварительно вычисленную большую библиотеку подробных симуляций одиночных и двойных звезд для прогнозирования эволюции изолированных двойных систем. Каждое из этих подробных симуляций может занять до 100 часов ЦП для запуска на суперкомпьютере, что делает этот метод моделирования неприменимым напрямую для синтеза бинарной популяции.
|
|
|
|
«Однако, предварительно вычислив библиотеку симуляций, которые охватывают все пространство параметров начальных условий, POSYDON может использовать этот обширный набор данных вместе с методами машинного обучения, чтобы предсказать полную эволюцию бинарных систем менее чем за секунду. Эта скорость сравнима с кодов быстрого синтеза населения предыдущего поколения, но с повышенной точностью», — объясняет Джеффри Эндрюс, доцент кафедры физики Университета штата Флорида. «Модели, предшествовавшие POSYDON, предсказывали пренебрежимо малую скорость образования сливающихся двойных черных дыр в галактиках, подобных Млечному Пути, и особенно не предполагали существования сливающихся черных дыр, массивность которых в 30 раз превышает массу нашего Солнца. POSYDON продемонстрировал, что такие массивные черные дыры могут существовать в галактиках, подобных Млечному Пути», — объясняет Вики Калогера, почетный профессор физики и астрономии Университета Даниэля И. Линцера на факультете физики и астрономии в Северо-Западном университете, директор Центра междисциплинарных исследований и исследований в Астрофизика (CIERA) и соавтор этого исследования.
|
|
|
|
Предыдущие модели переоценивали некоторые аспекты, такие как расширение массивных звезд, которое влияет на их потерю массы и двойные взаимодействия. Эти элементы являются ключевыми ингредиентами, определяющими свойства слияния черных дыр. Благодаря полностью самосогласованному подробному моделированию звездной структуры и двойного взаимодействия POSYDON обеспечивает более точные предсказания свойств сливающихся двойных черных дыр, таких как их массы и спины. Это исследование является первым, в котором используется недавно выпущенное программное обеспечение POSYDON с открытым исходным кодом для исследования слияния двойных черных дыр. Это дает новое представление о механизмах образования слияния черных дыр в галактиках, подобных нашей. В настоящее время исследовательская группа разрабатывает новую версию POSYDON, которая будет включать в себя большую библиотеку подробных звездных и двойных моделей, способных моделировать двойные системы в более широком диапазоне типов галактик.
|
|
|
|
Источник
|
