Владимир Липунов, Евгений Горбовской , Валерия Гриншпун и
Даниил Власенко, (Все команда МАСТЕР - МГУ им. М.В.Ломоносова + ГАИШ МГУ)
Black Holes LIGO/Virgo Domination and
Single-lined Binaries with a Black Hole Candidate Component, MNRAS, DOI: 10.1093/mnras/stab051, Acceptance date: 2021-01-08
Хотя мы постоянно слышим и читаем про чёрные дыры, до сих
пор учёным доподлинно неизвестно как они образуются. Нет, конечно, ещё с 30-х
годов прошлого века известно, что большие и плотные объекты нестабильны - они
обязательно схлопываются в чёрные дыры. Собака здесь
зарыта в теории Эйнштейна. Ели в какой-нибудь фантастической лаборатории
будущего, физики начнут сжимать кусок вещества, преодолевая силу давления, то
окажется, что при некоторой достаточно большой плотности сопротивление вещества
предательски само помогает хлопнуться в чёрную дыру. Ведь давление
сопротивления сжатию звезды это сила на квадратный метр, а сила - это импульс частиц звезды, а импульс это
энергия, энергия это масса, а масса это
источник тяготения. Но то в
фантастической лаборатории, а в жизни? А в жизни все галактики Вселенной заполнены звездами, которые вот-вот сорвутся
(и постоянно срываются) в чёрные дыры.
Как правило это звезды в десятки раз массивнее Солнца. Живут они звёздами не
долго в 1000 раз короче чем Вселенная. И живут они только потому, что внутри
идут термоядерные реакция вещества из водорода в железо не давая звезде
уплотниться. А железо, как известно, не горит.
Так из звёзд получаются чёрные дыры. Но какая часть звезды
превращается в чёрную дыру во время коллапса?
На этот вопрос попытался ответить ваш покорный слуга
коллегами из команды МАСТЕР. Дело в том, что лет 40 назад два только что
испечённых выпскника МГУ - астрофизики Виктор Корнилов и Владимир
Липунов придумали "Машину
сценариев". Это такая компьютерная программа которая позволяет создавать
искусственные галактики, в которых звёзды живут не по реальным законам которых
мы еще не знаем, а по неправильным или приблизительным. Например, мы хотим
посчитать сколько в такой неправильной Вселенной рождается чёрных дыр. При этом
мы не знаем как точно происходит процесс
коллапса и просто вводим параметр KBH
который равен доле вещества превращающегося в чёрную дыру. Эта
доля и показывает прожорливость в самоедстве! Очевидно 0< KBH
< 1 . Не особо информативно? Пожалуй!
Однако не желая навязывать реальной Вселенной свою волю мы
создали целый набор искусственных Вселенных
- ведь у нас появилась волшебная Машина.
Правда для этого наша команда (это примерно человек 10,
все они теперь кандидаты и доктора, а трое - профессора) поработали над софтом
лет 15 и в 1997 году мы впервые научились регистрировать слияния чёрных дыр в
этих лабораторных пробирках и колбах. И как мы не меняли прожорливость наших
чёрных дыр, наши воображаемые гравитационно-волновые детекторы всё время
детектировали черные дыры, а не нейтронные звезды, которых во Вселенной намного
больше.
Голова Лох-несского чудовища. Расчёт Машины Сценнариев (Липунов, Постнов и Прохоров, 1997 г.). Отношение числа сливающихся чёрных дыр к числу нейтронных звёзд. Розовым цветом показаны результаты гравитационно-волновых наблюдений команды LIGO/Virgo.
Когда я рассказывал энтузиасту реального детектора
гравитационных волн LIGO
- Кипу Торну - что в нашей искусственной
Вселенной, его воображаемый детектор всё время открывает чёрные дыры, он глядел
на меня глазами будущего нобелевского
лауреата и с англосаксонской упёртостью
спрашивал, а что будет если мы откроем первыми нейтронные звёзды? Тогда
я ему честно сказал, что тогда с неба исчезнет самых лучший в то время кандидат
в чёрную дыру - Лебедь X-1,
и Николай Шакура и его соавтор Рашид Сюняев перестанут быть
соавторами самой цитируемой астрофизической работы XX века. Это
была не шутка. Дело в том, что мы не бездумно разбрасывали прожорливость образующихся чёрных дыр, а
следили за небом, что бы при переборе наших параметров, с неба не исчезали
реальные чёрные дыры, или, наоборот, что бы на нём не возникало лишних, таких
как радиопульсары с чёрными дырами. Так в 1997 году возник теперь уже
знаменитый график-диаграмма "Голова Лох-несского
Чудовища" (правда похожа!?). Это
перед вами вариант рисунка представленный
недавно в журнале MNRAS
и теперь я рассказываю вам, что же нового мы обнаружили в 2020 году, когда уже
отрыта сотня сливающихся чёрных дыр на
реальных детекторах и уже как три года назад за это вручена, в частности
yКипу Торну, Нобелевская премия. Интересно, что если взять только опубликованные
результаты (команда
МАСТЕР знает обо всех), то на 40 пар черных дыр приходится всего 2 пары
нейтронных звезд и первой естественно была открыта именно чернодырная
парочка. А теперь посмотрим на Лох-несское чудовище.
Если учтем все неопределённости, то отношение числа зарегистрированных
сливающихся чёрных дыр к числу нейтронных звезд будет ~20 с большим плюс-минусом (розовые полосы). Мы видим, что согласие с
реальной Вселенной наступает, только в том случае если прожорливость чёрных дыр
во время коллапса превышает 90%!
Что это
значит для реальной Вселенной? Чем прожорливее чёрная дыра , тем больше её
масса! Но именно это и удивило всех теоретиков, когда детекторы зарегистрировали две первых чёрных дыры с
рекордной по тем временам массой по 30 масс Солнца каждая. При том, что самый
крупный кандидат в чёрную дыру - Лебедь X-1 имел всего 10 масс Солнца! А недавно открыта парочка с
суммарной массой 150 масс Солнца!
Распределение по массам сливающихся чёрных дыр в Искуственной (для разных скрытых парметров) и в реальной Вселенной (Столбцы-небоскрёбы)). Слева колонка так называемых "щебечущих" масс - это самые точные величины определяемые в эксперименте. Справа - просто распределение по сумме масс чёрных дыр. Видно, что нет проблем с объяснением результатов эксперимента. А вот справа выбивается одно событие, которое вполне может быть результатом эволюции не двойной, а тройной системы. Правада пока точность там невелика и всё может объясниться в рамках старого классического сценария эволюции двойных звёёзд, который был положен в основу Машины Сценариев, созданной на Ленинских горах в ГАИШ МГУ 40 лет назад!
А
примерно год назад китайские астрономы в журнале нобелевских лауреатов - Nature -
сообщают об открытии в нашей Галактике в обычной двойной системе с паре с
голубой звездой, чёрную дыру с массой 80 масс Солнца! Вот так прожорливость!?
Намечалась неожиданная связь между
данными гравитационно-волновой астрономии и классической оптической
спектроскопии. И там и здесь коэффициент прожорливости устремился к 100%! При этом толстушка двигалась про абсолютно
круговой орбите, как будто во время коллапса она не сбросила лишний вес! Ну
конечно - она прожорлива. Но тут пришлось разбираться с кандидатами в чёрные
дыры в обычных звёздных парах с голубыми соседями. Правда сначала,
астрономическое сообщество подвергло жесткой критики китайское открытие, но
потом мы вчитались в новые данные по голубым звездам и вычитали, что в
последнее десятилетие открыт
целый класс голубых звёзд с
невидимыми достаточно массивными объектами - кандидатами в чёрные дыры!
И похоже все они двигаются по круглым орбитам, как будто взрыв сверхновой унес
не более 5% массы системы.
Расчёт Машины Сценнариев. Чем прожорливее - тем круглее.
Вот так
и появилась статья под названием:
"Black Holes LIGO/Virgo Domination
and Single-lined Binaries with a Black Hole Candidate Component." Посмотрите на следующий рисунок 3
- мы с помощью Машины Сценариев промоделировали свойства орбит голубых звёзд с
чёрными дырами. 
Если
чёрная дыра становится прожорливее - её орбита становится кругленькой. Понятно,
скажет сообразительный читатель, каламбур получается. Но этот каламбур может
оказаться реальной судьбой массивных звёзд во Вселенной. Ведь сброшенная масса
кроме массы уносит орбитальной импульс
двойной системы и орбита сплющивается - у нее появляется эксцентриситет. Например
если сброситься больше половины массы всей системы, то эксцентриситет станет
больше 1, как у кометы Геннадия Борисова и чёрная дыра навсегда улетит из
двойной системы. Наоборот, если прожорливость велика - система не распадается,
а эксцентриситет будет несколько сотых, а орбита
круглой - что и наблюдается! Парадокс заключается в том, что когда
прожорливость стремится к единице, становится больше и больше чёрных дыр в
искусственной Галактике, а это означает - растёт вероятность образования радиопульсаров в паре с чёрными дырами. А их нет на небе! И тут наша искусственная
Вселенная начинает, как та корова из бомбардировщика, раскорячиваться всеми скрытыми
параметрами эволюции и мы спускаемся пор шее Лох-несского
чудовища в область консервативного коллапса, где живут прожорливые самоеды.
Материалы по теме:
Поездить
на Машине Сценариев
Пожелание
будущего Нобелевского лауреата!
Обозрение "Физические явления на небесах" профессора В.М.Липунова.
