Парные чёрные дыры: как они образуются, как их найти и что они говорят нам о Вселенной

Во Вселенной есть объекты, которые вызывают большой интерес и восхищение. Это чёрные дыры — зоны пространства-времени, из которых невозможно выйти даже свету, потому что их гравитация слишком сильна. Но бывают ли чёрные дыры в парах, как планеты или звёзды? И как это связано с тем, что Вселенная расширяется?

Исследователи из Университета Саутгемптона совместно с исследователями из университетов Кембриджа и Барселоны показали, что теоретически черные дыры могут существовать в идеально сбалансированных парах, удерживаемых в равновесии космологической силой, имитируя одну черную дыру.
Как возникают чёрные дыры?
Чёрные дыры — это результаты коллапса материи под действием гравитации. Они могут иметь разную массу и размер, в зависимости от того, как они образовались.
Самые частые — это чёрные дыры звёздных масс, которые появляются после того, как массивные звёзды заканчивают свой жизненный цикл. Такие чёрные дыры имеют массу от нескольких до десятков масс Солнца и размер порядка нескольких километров.
Есть также сверхмассивные чёрные дыры, которые имеют массу от миллионов до миллиардов масс Солнца и размер от нескольких до нескольких сотен астрономических единиц. Они обычно расположены в центрах галактик и играют ключевую роль в их формировании и развитии.
Граница области пространства-времени, из которой ничто не может выйти, называется горизонтом событий. В самом простом случае сферически симметричной чёрной дыры он имеет вид сферы с радиусом Шварцшильда, который определяет характерный размер чёрной дыры.
Как обнаруживают парные чёрные дыры?
Парные чёрные дыры — это системы из двух чёрных дыр, которые вращаются вокруг общего центра масс. Такие системы называются двойными чёрными дырами.
Двойные чёрные дыры могут иметь разную природу и происхождение. Например, они могут состоять из двух звёзд, которые стали чёрными дырами, но сохранили связь друг с другом. Такие системы называются первичными двойными чёрными дырами.
Другой вариант — это вторичные двойные чёрные дыры, которые состоят из двух сверхмассивных чёрных дыр, которые остались после слияния двух галактик. В этом случае чёрные дыры могут приближаться друг к другу и в конечном итоге объединяться в одну более большую чёрную дыру.
Существуют также гипотетические терциарные двойные чёрные дыры, которые состоят из тройных систем звёзд или галактик, в которых одна из компонентов является двойной чёрной дырой.
Двойные чёрные дыры являются одними из самых экстремальных и энергичных систем во Вселенной. Они производят различные эффекты, которые могут быть зарегистрированы разными методами наблюдения.
Один из таких эффектов — это гравитационные волны, которые представляют собой колебания пространства-времени, возникающие при ускоренном движении массивных объектов. Двойные чёрные дыры являются одними из наиболее мощных источников гравитационных волн, особенно в момент их объединения. Гравитационные волны от двойных чёрных дыр могут быть обнаружены специальными интерферометрическими детекторами, такими как LIGO и VIRGO.
Другой эффект — это электромагнитное излучение, которое может возникать при наличии материи вокруг двойных чёрных дыр. Такая материя может образовывать аккреционный диск или релятивистскую струю, которые испускают различные виды излучения от радио- до гамма-диапазона. Электромагнитное излучение от двойных чёрных дыр может быть зарегистрировано различными космическими и наземными телескопами.
Третий эффект — это гравитационное линзирование, которое заключается в искажении изображения удалённых объектов под действием гравитационного поля ближайших объектов. Двойные чёрные дыры могут служить такими гравитационными линзами и создавать характерные аномалии в виде кольцевых или крестообразных структур на фоне галактик или квазаров. Гравитационное линзирование от двойных чёрных дыр может быть обнаружено с помощью оптических или инфракрасных телескопов.
Как расширение Вселенной связано с парными чёрными дырами?
Расширение Вселенной — это процесс, при котором увеличивается расстояние между галактиками и другими космическими объектами со временем. Этот процесс был открыт в 1929 году американским астрономом Эдвином Хабблом, который обнаружил, что дальние галактики удаляются от нас с пропорциональной скоростью, зависящей от их расстояния. Это явление называется законом Хаббла.
Расширение Вселенной имеет важное значение для понимания её истории и будущего. Согласно современной космологической модели, Вселенная началась с Большого взрыва — момента, когда вся материя и энергия были сосредоточены в одной точке. Затем Вселенная начала быстро расширяться и охлаждаться, образуя элементарные частицы, атомы, звёзды, галактики и другие структуры. Сейчас Вселенная продолжает расширяться, но с ускорением, вызванным таинственной тёмной энергией.
Расширение Вселенной влияет на парные чёрные дыры таким образом, что оно увеличивает расстояние между ними и другими объектами, а также изменяет частоту и амплитуду гравитационных волн, которые они излучают. Однако, расширение Вселенной не влияет на расстояние между компонентами парной чёрной дыры, так как оно много меньше характерного размера горизонта событий.
Что же касается вопроса о том, бывают ли чёрные дыры в «идеальных парах» в расширяющейся Вселенной, то ответ зависит от того, что мы подразумеваем под этим термином. Если мы имеем в виду пары чёрных дыр с одинаковой массой и спином, то такие пары бывают, но они очень редки. По оценкам учёных, только около 1% двойных чёрных дыр имеют одинаковую массу, а только около 0.1% имеют одинаковый спин. Это связано с тем, что чёрные дыры появляются из разных звёзд или галактик, которые имеют разную эволюцию и характеристики.
Если же мы имеем в виду пары чёрных дыр с минимальным расстоянием между ними и максимальным временем до объединения, то такие пары бывают, но они очень нестабильны. По оценкам учёных, самая близкая пара чёрных дыр находится на расстоянии около 0.01 астрономических единиц (около 1.5 миллиона километров) друг от друга и будет объединяться примерно через 100 лет. Это связано с тем, что чёрные дыры выделяют гравитационные волны, которые забирают у них энергию и импульс, заставляя их приближаться друг к другу и вращаться быстрее.
Таким образом, мы можем сказать, что чёрные дыры бывают в парах в расширяющейся Вселенной, но такие пары имеют разную природу и свойства, а также различную вероятность обнаружения. Двойные чёрные дыры являются одними из самых интересных и сложных объектов для изучения, так как они позволяют нам проверять наши теории гравитации и космологии, а также узнавать больше о происхождении и развитии Вселенной.