Преди милиарди години две черни дупки, много по-масивни от Слънцето - 31 и 19 слънчеви маси всяка - се слеха заедно в далечна галактика. На 4 януари 2017 г. тези гравитационни вълни, пътуващи през Вселената със скоростта на светлината, най-накрая достигнаха Земята, където стиснаха и разтеглиха нашата планета на няколко атома. Това беше достатъчно за два детектора LIGO във Вашингтон и Луизиана, за да вземат сигнала и да реконструират точно какво се е случило. За трети път в историята наблюдаваме директно гравитационните вълни. Междувременно телескопите и обсерваториите по целия свят, включително тези в орбитата на Земята, търсеха съвсем различен сигнал: нещо като светлина или електромагнитно излъчване, което тези сливащи се черни дупки могат да излъчат.
Илюстрация на две сливащи се черни дупки със сравнима маса с тези, наблюдавани в LIGO. Очаква се такъв синтез да произвежда много малко електромагнитни сигнали, но наличието на силно загрято вещество в близост до такива обекти може да промени това.
Според нашите най-добри физически модели, сливането на черни дупки изобщо не трябва да излъчва никаква светлина. Масивна сингулярност, заобиколена от хоризонт на събитията, може да излъчва гравитационни вълни поради променящата се кривина на пространство-времето, тъй като се върти около друга гигантска маса и общата теория на относителността предполага това. Тъй като гравитационната енергия под формата на радиация трябва да идва отнякъде, крайната черна дупка след сливането ще бъде с няколко слънчеви маси по-лека от сумата на източниците, които са я генерирали. Това напълно съответства на две други сливания, които LIGO наблюдава: около 5% от първоначалните маси се превръщат в чиста енергия под формата на гравитационно излъчване.
Масите от известни бинарни системи за черни дупки, включително три потвърдени сливания на LIGO и един кандидат за сливане
Но ако има нещо извън тези черни дупки, като акреционен диск, защитна стена, твърда обвивка, дифузен облак или нещо друго, ускорението и нагряването на този материал може да създаде електромагнитно излъчване, което пътува заедно с нашите гравитационни вълни. След първото откриване на LIGO, Fermi Gamma-Ray Burst Monitor заяви, че е открил изблик на висока енергия, съвпадащ с времето на гравитационния вълнов сигнал. За съжаление сателитът ESA не само не успя да потвърди резултатите на Ферми, но учените, работещи там, откриха недостатък в анализа на Ферми на техните данни, напълно дискредитирайки резултатите им.
Сливане на две черни дупки през очите на художник, с акреционен диск. Плътността и енергията на материята тук не би трябвало да са достатъчни за създаване на гама лъчи или рентгенови изблици, но кой знае на какво е способна природата.
Второто сливане не показва такива намеци за електромагнитни сигнали, но това не е изненадващо: черните дупки са значително по-леки по маса, така че всеки генериран от тях сигнал ще бъде съответно по-нисък по големина. Но третото сливане също беше голямо по маса, по-сравнимо с първото, отколкото с второто. Въпреки че Ферми не каза нищо, а спътникът на ESA Integral също запази мълчание, имаше два намека, че може да е възникнало електромагнитно излъчване. Сателитът AGILE на италианската космическа агенция регистрира слаб, краткотраен изблик, който се е появил половин секунда преди сливането в LIGO и комбинираните рентгенови, радио и оптични наблюдения са идентифицирани странно.
Ако нещо от това може да се отдаде на сливането на черни дупки, би било напълно невероятно. Ние знаем толкова малко за черните дупки като цяло, какво да кажем за сливането на такива. Никога не сме ги виждали със собствените си очи, въпреки че телескопът Event Horizon ще направи някаква снимка преди края на тази година. Току-що открихме, че черните дупки нямат твърди черупки, обграждащи хоризонта на събитията, но този факт е и статистически. Така че, когато става въпрос за възможността черните дупки да имат електромагнитни течове, струва си да запазите отворен ум.
Промоционално видео:
Отдалечените масивни квазари показват свръхмасивни черни дупки в сърцевините си и техните електромагнитни течове са лесни за откриване. Но все още не сме виждали сливащи се черни дупки (особено тези с ниски маси, по-малко от 100 слънца) излъчват всичко, което може да бъде открито.
За съжаление, нито едно от тези наблюдения не предоставя необходимите данни, които да ни накарат да заключим, че сливането на черни дупки може да излъчва нещо в електромагнитния спектър. Като цяло е доста трудно да се получат убедителни доказателства, тъй като дори двойните детектори LIGO, работещи с невероятна точност, не могат да определят местоположението на сигнала на гравитационната вълна с по-голяма точност, отколкото до съзвездие или три. Тъй като гравитационните вълни и електромагнитните вълни се движат със скоростта на светлината, е изключително малко вероятно да има близо 24-часово закъснение между двете. Освен това преходното събитие се случва на разстояние, което не позволява то да бъде свързано с гравитационна вълна.
Зоната за наблюдение на обсерваторията AGILE по време на наблюденията на LIGO с възможното местоположение на източника на гравитационна вълна, показана в лилави контури
Наблюденията на AGILE могат потенциално да намекат, че се случва нещо интересно. В момента, в който е открито събитието на гравитационната вълна, AGILE е насочен към пространство от пространството, което съдържа 36% от зоната за изследване на LIGO. Според учените „излишъкът от открити рентгенови фотони“се е появил някъде над обичайния среден фон. Но като погледнем данните, първият въпрос, който учените задават, е: Колко убедителни са те?
Секунди преди сливането на LIGO те извадиха интересно събитие, обозначено с E2 в трите диаграми по-горе. След задълбочен анализ, в който те съпоставиха какво виждат и какви случайни колебания могат да възникнат естествено, те стигнаха до заключението, че се е случило нещо интересно с 99,9% вероятност. С други думи, те видяха реален сигнал, а не случайни колебания. Във Вселената има много обекти, които излъчват гама и рентгенови лъчи, които съставят фона. Но може ли инцидентът да бъде свързан с гравитационното сливане на две черни дупки?
Компютърни симулации на две сливащи се черни дупки с производството на гравитационни вълни. Въпросът е дали този сигнал придружава ли някакъв електромагнитен взрив?
Ако е така, защо другите сателити не са го видели? В момента можем да заключим, че ако черните дупки са имали електромагнитна част, тя:
- изключително слаб
- се ражда само при ниски енергии
- няма ярък оптичен, радио или гама-лъчите компонент
- не се случва едновременно с освобождаването на гравитационни вълни.
Двоични черни дупки от 30 слънчеви маси, записани за първи път от LIGO, са трудни за образуване без директен колапс. Сега, когато вече са били наблюдавани два пъти, стана ясно, че подобни двойки черни дупки са доста често срещани. Имат ли електромагнитно излъчване?
Освен това всичко, което виждаме, се вписва идеално с факта, че сливащите се черни дупки нямат електромагнитна част. Но може ли това да е така, защото нямаме достатъчно данни? Ако изградим повече гравитационни детектори на вълни, видим повече сливания на черни дупки с голяма маса, по-добре ги локализираме, видим повече преходни събития - можем да намерим отговора на този въпрос. Ако мисиите и обсерваториите, които трябва да събират такива данни, бъдат изградени, поръчани и пуснати в орбита, ако е необходимо, тогава след 15 години ще получим научно потвърждение.
ИЛЯ ХЕЛ