Использование малых черных дыр для обнаружения больших черных дыр

Международная группа астрофизиков при участии Цюрихского университета предлагает новый метод обнаружения пар крупнейших черных дыр, расположенных в центрах галактик, путем анализа гравитационных волн, генерируемых бинарами близлежащих малых звездных черных дыр. Исследование опубликовано в журнале Nature Astronomy.

Происхождение сверхмассивных черных дыр, обнаруженных в центрах галактик, до сих пор остается одной из самых больших загадок в астрономии. Возможно, они всегда были массивными и образовались, когда Вселенная была еще очень молодой. В противном случае они могли вырасти со временем за счет присоединения материи и других черных дыр. Когда сверхмассивная черная дыра собирается съесть другую массивную черную дыру, она испускает гравитационные волны, которые представляют собой рябь в пространстве-времени, распространяющуюся по Вселенной.

Проблема обнаружения массивных черных дыр

Гравитационные волны были обнаружены недавно, но только от небольших черных дыр, которые являются остатками звезд. Обнаружить сигналы отдельных пар больших черных дыр пока невозможно, поскольку современные детекторы не чувствительны к очень низким частотам гравитационных волн, которые они излучают. Планируемые будущие детекторы, такие как космический аппарат LISA под руководством ЕКА, частично исправят эту ситуацию, но обнаружение самых массивных пар черных дыр все равно останется за кадром.

Использование высоких частот для измерения низких частот

Международная группа астрофизиков под руководством бывших студентов Цюрихского университета предлагает новую идею и новый метод обнаружения пар крупнейших черных дыр в центрах галактик путем анализа гравитационных волн, генерируемых бинарами близлежащих малых звездных черных дыр, которые являются остатками разрушившихся звезд, курсовые минск.

Такой подход, для которого потребуется детектор гравитационных волн с частотой деци-Гц, позволит обнаружить самые большие бинары сверхмассивных черных дыр, которые в противном случае могут остаться недоступными.

«Наша идея, по сути, работает как прослушивание радиоканала. Мы предлагаем использовать сигнал от пар маленьких черных дыр подобно тому, как радиоволны переносят сигнал. Сверхмассивные черные дыры — это музыка, которая закодирована в частотной модуляции (ЧМ) обнаруженного сигнала», — говорит Якоб Штегманн, ведущий автор исследования, который начал работу в Цюрихском университете в качестве приглашенного студента, а затем перешел в Институт астрофизики Макса Планка в качестве постдокторского научного сотрудника.

«Новизна этой идеи заключается в использовании высоких частот, которые легко обнаружить, для зондирования более низких частот, к которым мы пока не чувствительны».

Маяк указывает на большие черные дыры

Последние результаты, полученные с помощью массивов пульсаров, уже подтверждают существование сливающихся бинаров сверхмассивных черных дыр. Однако это доказательство является косвенным и исходит из коллективного сигнала многих далеких бинаров, которые фактически создают фоновый шум.

Предлагаемый метод обнаружения отдельных бинаров сверхмассивных черных дыр использует тонкие изменения, которые они вызывают в гравитационных волнах, излучаемых парой близлежащих небольших черных дыр звездной массы. Таким образом, маленькая двойная черная дыра эффективно работает как маяк, сообщающий о существовании больших черных дыр.

Обнаружив крошечные модуляции в сигналах от малых двойных черных дыр, ученые смогут таким образом идентифицировать ранее скрытые сверхмассивные двойные черные дыры с массой, в 10-100 миллионов раз превышающей массу нашего Солнца, даже на огромных расстояниях.

Лючио Майер, соавтор исследования и теоретик черных дыр из Цюрихского университета, добавил: «Поскольку путь для лазерной интерферометрической космической антенны (LISA) уже намечен после принятия ЕКА в январе прошлого года, сообществу необходимо оценить наилучшую стратегию для следующего поколения детекторов гравитационных волн, в частности, на какой диапазон частот они должны быть нацелены — подобные исследования дают сильную мотивацию для приоритетного проектирования деци-герцового детектора».