Бинарная черная дыра – это система, которая состоит из двух черных дыр, вращающихся вокруг друг друга по спиральной орбите. Есть бинарные системы звездной массы, где каждая из дыр – конечный результат эволюции нейтронных звезд. А есть сверхмассивные бинарные черные дыры, которых сводит между собой процесс слияния разных галактик. Их существование обнаружено, однако до сих пор не подтверждено.

Реальное существование бинарной черной дыры звездной массы подтвердили только после того, как в обсерватории LIGO осенью 2015 года обнаружили GW150914 – проявление существования таких дыр на расстоянии примерно 1,3 миллиарда световых лет от нас. Объект с приблизительной массой в 30 солнечных масс уже находился на завершающей стадии слияния.

Эта стадия длилась всего 20 миллисекунд, а движение происходило все так же по спирали. При этом выделилось огромное количество гравитационной энергии – 3 солнечных массы, а излучение достигло такой мощи, какой не выделяют все звезды во Вселенной вместе взятые.

Бинарная черная дыра звездной массы может образоваться по двум сценариям: в результате полевой бинарной эволюции и динамического объединения. В первом случае такие системы образовываются из двойных звезд, которые по очереди вспыхивают сверхновыми. Такие объекты остаются на своих орбитах, сохраняют оси и период обращения. У всех подобных систем эти показатели одинаковы.

Второй сценарий предполагает объединение двух черных дыр, образовавшихся независимо друг от друга. Это происходит в более плотных средах (шаровых скоплениях, например). Большинство слияний черных дыр происходит именно в этом случае. Внутри скоплений массивные объекты как бы тонут, поэтому в их центре группируются остатки сверхновых. Это массовая сегрегация. Помимо этого есть и динамическое взаимодействие, когда внутри скоплений все тела влияют друг на друга. В этом случае черные дыры заставляют сближаться гравитационные поля окружающих их звезд.

Главный вопрос, которым сегодня задаются ученые – какие параметры вращения у этих двойных систем? Результаты имеющихся моделирований не дают однозначного ответа. Для одних и тех же бинарных черных дыр разные системы дают разные параметры. Из-за этого нельзя понять, какой способ образования таких систем самый распространенный. Ожидается, что с помощью детектора LIGO, который недавно вернулся в строй после трехлетних обновлений, удастся увеличить выборку подобных объектов. Обнаружение большего количества двойных систем позволит приблизиться к ответу на вопрос об их происхождении.

В начале своей эволюции бинарная система движется по спирали, при этом орбиты постепенно уменьшаются под воздействием гравитации. То есть черные дыры теряют свою энергию за счет испускания гравитационных волн. Это можно назвать абсолютным трением искривления пространства, когда энергия у двойной системы забирается, и черные дыры сближаются.

Процесс этот долгий, потому что гравитационные волны пока слабы. Их усиливает скорость, которая прибавляется по мере уменьшения орбиты. Чем ближе черные дыры друг к другу, тем быстрее она уменьшается. Движение по спирали перейдет к слиянию, когда самая внутренняя устойчивая круговая орбита будет пройдена.

Орбиты черных дыр становятся достаточно эксцентричными и имеют склонность к раскачиванию. Это явление получило название «танец черных дыр». При этом между ними происходит активное взаимодействие. Зрелище это одновременно и увлекательное, похожее на карнавал, и чрезвычайно сложное. Ученым еще только предстоит провести исследования в этой области.

Сразу после слияния получившаяся черная дыра колеблется по форме между вытянутым и сплюснутым сфероидом. По мере излучения гравитационных волн форма стабилизируется. В результате остается небольшая деформация. Интересно, что черные дыры сближаются несимметрично. Направление осей вращения может не совпадать из-за разницы в массе. Поэтому и гравитационные волны излучаются несимметрично, неравномерно унося с собой энергию и импульс.

Таким образом, после слияния, дабы все компенсировать, черная дыра полетит туда, куда улетело меньше импульсов. Причем полететь она может довольно быстро, со скоростью в несколько тысяч км/с. Это зависит от направления осей вращения и соотношения масс дыр.

Несмотря на кажущуюся простоту процесса сближения черных дыр в бинарной системе, вопрос о том, как именно они сливаются, остается открытым. Существует даже «проблема финального парсека». Черные дыры отдают свою энергию окружающему пространству: звездам или газу, отсюда на высокой скорости выбрасывается вещество.

По мере того, как сжимается орбита, сжимается и объем пространства, в котором этот процесс происходит. Когда дыры будут друг от друга на расстоянии в 1 парсек, то вещества между ними останется крайне мало. В этом случае, чтобы орбита уменьшилась до момента слияния, должно пройти миллиарды лет. Но черные дыры все-таки сливаются. Гравитация тоже может внести свой в клад в потерю энергии, но только в случае, если орбита сожмется до 0,01-0,001 парсека.

Большинство вариантов решения этой проблемы предполагает, что бинарная система взаимодействует с окружающим пространством, которое и забирает её энергию, сближая, таким образом, дыры. Например, если мимо них пролетит много звезд, то гравитационные выбросы от них очень быстро сблизят дыры.

❗️ Ставьте