Электромагнитной вспышке разрешили сопровождать слияние черных дыр

Астрономы выяснили, что слияния черных дыр могут сопровождаться вспышкой в электромагнитном диапазоне. Такое должно происходить в случае слияния объектов звездных масс на орбитах вокруг сверхмассивных черных дыр, а недавние оценки говорят о заметной вероятности таких слияний, пишут авторы в журнале The Astrophysical Journal Letters.

Гравитационные антенны регистрируют периодические колебания пространства-времени, которые возникают при слиянии массивных компактных объектов, таких как черные дыры и нейтронные звезды. Однако свойства черных дыр в первую очередь определяются их массами и спинами, поэтому при столкновении таких тел в вакууме не должно возникать сигнала других видов излучения. Это осложняет исследование этих объектов, так как на данный момент основная часть информации в астрономии получается посредством электромагнитных волн.

Однако если слияние черных дыр происходит в окружении плотных слоев обычной материи, то теоретически может возникать заметный сигнал. Такая ситуация может реализоваться, например, в аккреционном диске вокруг сверхмассивной черной дыры. Согласно результатам недавних работ, в этой области могут скапливаться небольшие черные дыры звездных масс, которые затем сольются, будучи окружены потоками горячей плазмы.

В работе астрофизиков из США и Великобритании при участии Барри Маккернана (Barry McKernan) из Американского музея естественной истории оценивается энерговыделение электромагнитных волн и возможность их регистрации в случае подобного слияния. Причина появления излучения заключается в столкновении потоков газа после слияния, так как масса образующейся черной дыры заметно меньше суммы масс исходных, а также из-за ожидаемой высокой скорости ее движения.

Область пространства, в которой доминирует гравитация астрономического объекта, называется его сферой Хилла. Радиус этой зоны для системы двух черных дыр перед слиянием оказывается больше, чем для продукта их слияния, так как часть массы (обычно около пяти процентов) тратится на генерацию гравитационного излучения. Быстрое изменение радиуса Хилла приводит к нескольким последствиям.

Во-первых, часть газа, которая находилась ранее на устойчивых орбитах, теперь движется слишком быстро для удержания новой черной дырой — это вещество начнет двигаться от центра масс и сталкиваться с более удаленной частью аккреционного диска сверхмассивной черной дыры. Во-вторых, часть газа теперь оказывается вне сферы Хилла и будет также взаимодействовать с более крупномасштабными течениями в основном диске. В-третьих, новая черная дыра быстро поглотит часть газа с медленным вращением после распространения возмущения по окружающему веществу. Отдельный эффект будет возникать в случае быстрого движения новой черной дыры — в таком случае газ будет стремиться следовать за массивным объектом, но испытает большое сопротивление со стороны окружающего невозмущенного вещества диска.

Все обозначенные эффекты должны приводить к появлению небольшого яркого пятна на фоне излучения аккреционного диска сверхмассивной черной дыры. Легче всего подобный процесс можно будет зарегистрировать, если изначальный радиус Хилла был больше толщины диска — в таком случае в нем фактически образуется дырка, которая быстро заполнится газом, что приведет к возникновению ударной волны и короткому всплеску излучения. Если радиус Хилла был меньше толщины диска, то результат сильно зависит от его прозрачности. Авторы приходят к выводу, что с наибольшей вероятностью удастся зафиксировать вспышку в ультрафиолетовом диапазоне.

Одновременное наблюдение слияния черных дыр в виде гравитационных волн и электромагнитного излучения значительно увеличит точность определения параметров системы, таких как координаты и массы объектов. Это позволит создать более точные модели происходящих процессов и продвинуть разработку гравитационных антенн.

Ранее ученые смогли измерить вращение сверхмассивных черных дыр с помощью гравитационного линзирования, нашли противовращающиеся диски у сверхмассивной черной дыры и разрешили планетам формироваться вокруг них.