К настоящему времени зарегистрировано несколько гравитационно-волновых всплесков, обусловленных слиянием двойных черных дыр. Принято считать, что черные дыры окружены аккреционными дисками, поэтому такие события должны сопровождаться возмущением дисков и, возможно, увеличением электромагнитного излучения от этих объектов.
Как показали численные исследования, проведенные в Институте астрономии РАН, рост светимости обеспечивается нагревом вещества ударной волной, возникающей в аккреционном диске вследствие потери массы центрального объекта в результате излучения гравитационных волн. Причем поярчание системы настолько велико, что может быть зарегистрировано современными рентгеновскими обсерваториями. Это открывает путь для действительно многоволнового исследования процессов слияния черных дыр или многоканальной астрономии (multi-messenger astronomy).
В Общей теории относительности гравитационное поле возникает в результате искривления пространства-времени. Источником кривизны являются материальные частицы или тела, а также некоторые виды полей негравитационного происхождения, например, электромагнитное. Гравитационные волны представляют собой возмущения метрики пространства-времени, распространяющиеся на фоне невозмущенной метрики со скоростью света.
Одними из наиболее мощных источников гравитационного излучения являются двойные черные дыры. Такие объекты могут, например, формироваться в результате эволюции тесной двойной системы, изначально состоящей из массивных звезд. В центральных частях некоторых галактик могут находиться двойные сверхмассивные черные дыры.
Об этом говорим с доктором физико-математических наук Андреем Георгиевичем Жилкиным.
Как двойные черные дыры взаимодействуют между собой?
В 2016 году группа японских астрономов обнаружила вблизи центра Галактики еще один объект, предположительно являющийся черной дырой и расположенный на расстоянии примерно 61 пк от сверхмассивной черной дыры.
Поэтому не исключено, что даже в нашей Галактике центральная черная дыра является двойной.
Конечная стадия слияния черных дыр происходит очень быстро – за доли секунды. Гравитационный сигнал выглядит как синусоидальные колебания со все увеличивающейся частотой и амплитудой, которые в определенный момент резко затухают и обрываются. По характеру этих колебаний с помощью теоретических моделей можно вычислить исходные массы каждой черной дыры и массу продукта их слияния.
Каково поведение аккреционного диска после слияния двойной черной дыры?
В ряде теоретических работ было показано, что слияние двойной черной дыры и последующее гравитационно-волновое излучение может приводить к нескольким эффектам для аккреционного диска. Во-первых, потеря массы центральным объектом приводит к нарушению кеплеровского равновесия в диске и последующему возбуждению волн плотности большой амплитуды. Во-вторых, в зависимости от отношения масс сливающихся объектов и ориентации их собственных угловых моментов, гравитационно-волновое излучение может быть асимметричным. В результате вещество диска испытает импульс отдачи, который может привести к возникновению сильных возмущений. В-третьих, изменения метрики пространства-времени в гравитационных волнах может непосредственно вызывать в диске дополнительные механические напряжения, которые будут постепенно диссипировать на вязкой шкале времени и нагревать вещество. Все эти явления приводят к электромагнитному отклику аккреционного диска.
Можно сделать вывод о том, что вследствие слияния черных дыр и последующей потери массы центрального объекта в аккреционный диск как бы будет “впрыснута” некоторая дополнительная энергия. Часть этой энергии будет потрачена на разгон вещества, другая часть перейдет в тепло, а какая-то часть уйдет в виде электромагнитного излучения. Для описания этого сложного процесса одной только гравитационной механики уже явно недостаточно. Для этого необходимо использовать более детальную гидродинамическую модель.
Более строгий анализ этой задачи, проведенный в рамках гравитационной гидродинамики, показал, что стремительный рост возмущений в аккреционном диске из-за потери массы центрального объекта приводит к формированию ударной волны или даже серии (цугу) распространяющихся друг за другом.
Строго говоря, диск возмущается сразу во всех его точках, поскольку в момент слияния черных дыр и потери массы на любом расстоянии до аккретора в диске моментально нарушается баланс между гравитационной и центробежной силами. Однако наибольшие возмущения возникают в самых центральных его частях. Поскольку скорость распространения возмущений во внутренних частях больше, чем в наружных, внутренние возмущения догоняют наружные и усиливаются. В конце концов, амплитуда этих взаимодействующих между собой отдельных возмущений может возрасти настолько, что они вследствие нелинейных эффектов превратятся в ударную волну. При определенном характере распределения плотности и температуры в начальном невозмущенном аккреционном диске ударная волна оказывается автомодельной.
Технический отчет с описанием нашей численной модели содержит более 250 формул, многие из которых занимают несколько строк.
В начальном состоянии аккреционный диск находился в вертикальном гидростатическом равновесии, когда на любой высоте над его плоскостью симметрии вертикальная компонента гравитационной силы уравновешивается вертикальной компонентой силы давления. Ударная волна, распространяющаяся по диску, нагревает вещество и, следовательно, разрушает это условие вертикального гидростатического равновесия. В вертикальном направлении возникает движение вещества, приводящее к некоторому “разбуханию” диска.
Поскольку масса перераспределяется в большем объеме, то плотность вещества в плоскости симметрии диска немного уменьшается. Это, в свою очередь, приводит к адиабатическому охлаждению вещества, что вызывает обратный процесс – диск начинает снова поджиматься к плоскости симметрии. Таким образом, прохождение ударной волны по диску сопровождается вертикальными движениями колебательного характера, которые, впрочем, со временем постепенно затухают.
Ударная волна нагревает вещество, что приводит к резкому росту потока электромагнитного излучения от диска. В рамках численной модели оказывается возможным рассчитать кривую блеска, спектр излучения, а также оценить продолжительностьность вспышки в предположении, что при снижении светимости до исходного значения вспышка заканчивается.
Гравитационно-волновое излучение может быть связано не только со слиянием черных дыр, но и со слиянием нейтронных звезд, а также пар “черная дыра–нейтронная звезда”.
Если компонентом двойной системы является нейтронная звезда, то можно ожидать, что слиянию будет сопутствовать всплеск электромагнитного излучения в широком диапазоне длин волн, начиная от радио и вплоть до гамма-диапазона. Такие вспышки могут продолжаться от секунды и менее (вспышки гамма-излучения), до дней, месяцев и даже лет (радиоизлучение от субрелятивистских истечений).
Насколько точна Ваша модель?
Гравитационно-волновые наблюдения обсерваторий LIGO и Virgo сопровождаются электромагнитными наблюдениями многих других обсерваторий. Это делается как в режиме непрерывного обзора неба, так и по так называемым “алертам” – сигналам, которые рассылаются между обсерваториями автоматически и обрабатываются ими в режиме реального времени.
В сентябре 2015 году обсерваторией LIGO был обнаружен гравитационно-волновой сигнал, которому было присвоено обозначение GW150914. Этот сигнал интерпретировали как событие слияния двойной черной дыры. Вместе с тем прибором GBM (Gamma-ray Burst Monitor), установленным на космической гамма-обсерватории “Ферми” (Fermi; ЗиВ, 2015, No 3), была детектирована короткая гамма-вспышка. При этом расположение источника гамма-излучения примерно соответствовало направлению на источник гравитационных волн.
Следует заметить, однако, что амплитуда вспышки была довольно мала, а сам электромагнитный сигнал в существенной степени был зашумлен. При этом различные методы обработки такого слабого сигнала приводили к противоречивым выводам о том, имеется ли физическая связь между источником гравитационных волн и источником гамма-излучения. В результате дискуссии, развернувшейся в научной литературе, ученые пришли к компромиссному мнению, что в данном случае совпадение сигналов было случайным.
Следующая серия наблюдений, планируемая на инструментах LIGO и Virgo, а также на космической гамма-обсерватории “Ферми”, возможно, позволит достичь большего уровня чувствительности при совместном детектировании гравитационно-волновых событий.
Интервью: Иван Степанян
