Згідно з новим дослідженням, коли надмасивні чорні діри відскакують від зіткнення, вони можуть досягати швидкості до 1/10 швидкості світла.
Фізики визначили нову межу швидкості для найекстремальніших зіткнень у Всесвіті. Згідно з дослідженням, опублікованому в журналі Physical Review Letters, «максимально можлива швидкість віддачі» чорних дір, які зіткнулися, перевищує колосальні 102 млн км/год — приблизно одну десяту швидкості світла. За словами авторів дослідження, цей пік виникає, коли умови зіткнення досягають переломного моменту між двома чорними дірами. Вони або зливаються разом, або розсіюються в міру зближення.
Дослідники сподіваються математично довести, що цю швидкість не можна перевищити, використовуючи рівняння відносності Ейнштейна. Потенційно, це може вплинути на фундаментальні закони фізики.
Зображення в: Wikimedia Commons | Відомості про ліцензії Джерело: NOIRLab / AURA / NSF / P. Marenfeld
Нещодавно виявлене обмеження швидкості може бути частиною більш широкого набору фізичних законів, які впливають на все «від найменших до найбільших об’єктів у Всесвіті», пишуть вчені.
Як рухаються чорні діри?
Коли дві чорні діри проходять близько одна до одної, вони або зливаються, або обертаються навколо загального центру мас, перш ніж розлетітися. Їх поведінка залежить від їх поділу в точці найбільшого зближення.
Щоб визначити максимально можливу швидкість віддачі чорних дір, що розлітаються, вчені використовували суперкомп’ютери, щоб провести чисельне моделювання. Розрахунки співвіднесли з рівняннями загальної теорії відносності, які описують розвиток двох взаємодіючих чорних дір.
Космічний телескоп «Джеймс Вебб» спостерігає за двома галактиками з надмасивними чорними дірами в центрах, що знаходяться в процесі злиття. Зображення надано: ЕКА
Хоча люди намагаються вирішити ці рівняння понад 50 років, чисельні методи прогнозування розміру гравітаційних хвиль в результаті таких зіткнень розробили тільки в 2005 році — всього за 10 років до того, як самі гравітаційні хвилі вперше виявили за допомогою Лазерно-інтерферометричної гравітаційно-хвильової обсерваторії (LIGO).
«Землетруси» в тканині простору-часу
Відтоді LIGO спостерігав майже 100 зіткнень чорних дір. Порівняння даних одного такого зіткнення з даними чисельної теорії відносності виявило «ексцентричну» або еліптичну траєкторію чорної діри. Раніше вчені думали, що чорні діри, які зближуються одна з одною, будуть рухатися по спіралі одна до одної по майже круговим орбітах. Відкриття еліптичних орбіт розширило діапазон можливих зіткнень і спонукало вчених шукати екстремальні сценарії зіткнень.
Фізики розглянули, як коригування чотирьох параметрів вплинуло на результат гравітаційної взаємодії між двома чорними дірами: початковий імпульс чорних дір, відстань між ними в точці найбільшого зближення, орієнтацію будь-якого обертання чорної діри навколо її власної осі і величину цього обертання.
Зображення в: Wikimedia Commons | Відомості про ліцензіїДжерело: ESO / L. Calada
Провівши 1 381 моделювання, кожне з яких займало дві-три тижні, дослідники виявили пік можливих швидкостей віддачі для чорних дір з протилежними спинами, що проходить повз один одного. У той час як чорні діри випромінюють гравітаційне випромінювання у всіх напрямках, протилежні обертання спотворюють це випромінювання, створюючи тягу, яка збільшує швидкість віддачі.
Нова фундаментальна фізика
За словами фізиків, «переломний момент», який визначає, чи зіллються дві чорні діри або відскочать, залежить від деякої мінливості їх орбіт. Вчені порівнюють цю взаємодію з плавним фазовим переходом, на відміну, наприклад, від вибухових. Наприклад, нагрітої води, де кінцева кількість прихованої теплоти вбереться до того, як все закипить. Дослідники також помітили, що може нагадувати масштабні коефіцієнти, характерні для цих фазових переходів, хоча для їх остаточної ідентифікації необхідні подальші симуляції з високою роздільною здатністю.
Що в підсумку?
Проте, ці аспекти результатів натякають на можливість існування «всеохоплюючого принципу», який можна застосувати в масштабах від атомів до чорних дір, які зіткнулися.
Фото: НАСА
Більш того, хоча об’єднання двох основних стовпів фундаментальної фізики — загальної теорії відносності для гравітації і квантової теорії для інших фундаментальних сил — залишається невловимим, опис чорних дір тісно пов’язані з декількома теоріями, які відкрили проломи в бар’єри між ними.