Спектр масс черных дыр объяснили расширением Вселенной

Физики предложили способ согласовать наблюдаемый спектр масс черных дыр с его формой, предсказанной теоретиками. Их гипотеза заключается в том, что масса черных дыр растет в процессе расширения Вселенной. Исследование опубликовано в The Astrophysical Journal Letters.

С момента первой регистрации слияния двух черных дыр в 2016 году, научные коллективы LIGO и Virgo сообщили о примерно 50 достоверно зарегистрированных событиях такого типа. Физики наблюдали их методами гравитационной астрономии — регистрировали на Земле гравитационные волны, которые черные дыры излучают при слиянии. Спектр и интенсивность гравитационного излучения совпадают с предсказаниями Общей теории относительности, если сливающиеся объекты — это две керровские черные дыры (то есть имеют ненулевой момент вращения).

Проблема, однако, возникает со спектром масс этих черных дыр, который противоречит представлениям астрофизиков о механизмах их образования. Согласно этим представлениям, двойные системы черных дыр, которые могут затем слиться в одну, образуются в результате коллапса обоих компаньонов в двойной звездной системе, но так могут образоваться черные дыры не любых масс. Если масса звезды лежит в интервале от 50 до 130 масс Солнца, то конечным этапом ее эволюции обязательно будет взрыв сверхновой, так что в сливающихся парах черных дыр ни один из компаньонов не должен иметь массу в этом промежутке. Результаты наблюдений, однако, противоречат этому выводу: LIGO и Virgo зарегистрировали около десяти черных дыр, чьи массы лежали внутри запрещенного интервала.

Группа американских физиков под руководством Кевина Крокера (Kevin Croker) из Гавайского университета в Маноа предложила теоретическую модель, разрешающую это противоречие. Дело в том, что решение Керра при удалении от сингулярности черной дыры плавно переходит в статичное плоское пространство. Но известно, что наша Вселенная расширяется, и пространство является статичным лишь приближенно. Идея физиков заключается в том, что если черная дыра существует так долго, что за время ее жизни Вселенная успевает существенно расшириться, то приближение, в котором реальная черная дыра описывается решением Керра, может перестать выполняться.

Расширение Вселенной математически описывается с помощью масштабного фактора, пропорционального расстоянию между двумя покоящимися частицами с течением времени. Исследователи заметили, что спектр масс черных дыр можно согласовать с наблюдениями, если масса черной дыры не постоянна, как в решении Керра, а растет пропорционально масштабному фактору a в некоторой положительной степени k даже если черная дыра не поглощает никакого вещества. Такой закон изменения массы похож на закон уменьшения энергии излучения при расширении Вселенной, которая изменяется обратно пропорционально масштабному фактору, или на то, как ведет себя темная энергия, чья масса растет пропорционально a в третьей степени.

Чтобы проверить свое предположение, физики провели моделирование эволюции миллиона систем двойных звезд, коллапсирующих затем в черные дыры, при нескольких различных степенях k (решение Керра соответствует k = 0). Оказалось, что если эта степень близка к 0,5, то получающийся спектр масс черных дыр достаточно близок к наблюдаемому.

Кроме того, если k = 0,5, то существенно увеличивается общее число образовавшихся, а затем и слившихся черных дыр в сравнении со случаем k = 0: произошло 167 867 таких событий вместо 8 417. Это тоже лучше согласуется с результатами наблюдениями.

Если степень k слишком велика, то предложенный степенной закон роста массы предсказывает слишком большое число массивных черных дыр — оно несовместимо с наблюдениями. Чтобы противоречия не было, k должен быть меньше единицы.

Астрофизики расчитывают, что гравитационные обсерватории следующего поколения позволят более точно определить, согласуется ли предложенная ими модель с реальностью.

Недавно мы писали о том, как LIGO и Virgo увидели гравитационные волны от слияния нейтронной звезды и черной дыры.

Андрей Фельдман