Уникальный эксперимент по исследованию чёрных дыр

Чёрная дыра
На этом изображении чёрная дыра MAXI J1820 + 070 поглощает материал соседней звезды и формирует аккреционный диск. Авторы и права: Aurore Simonnet / NASA’s Goddard Space Flight Center.

Что происходит, когда сталкиваются две сверхмассивные чёрные дыры? Объединение наблюдательной мощи двух будущих миссий ЕКА, Athena и LISA, позволило бы нам впервые изучить эти космические столкновения и их таинственные последствия.

Сверхмассивные чёрные дыры с массами от миллионов до миллиардов Солнц находятся в ядрах самых массивных галактик. Мы не знаем точно, как сформировались эти огромные, чрезвычайно плотные объекты, и что заставляет их поглощать окружающую материю с чрезвычайно интенсивной скоростью, обильно излучая при этом во всём электромагнитном спектре и превращая их галактики в активные галактические ядра.

Решение этих открытых вопросов в современной астрофизике является одной из главных целей двух будущих миссий в программе космической науки ЕКА: Athena, усовершенствованного телескопа для высокоэнергетической астрофизики, и LISA, космического лазерного интерферометра. В настоящее время обе миссии находятся на стадии проектирования. Их запуск запланирован на начало 2030-х годов.

“Athena и LISA – это выдающиеся миссии, направленные на достижение прорывов во многих областях астрофизики”, – говорит Гюнтер Хасингер, научный директор ESA.

Но есть один чрезвычайно захватывающий эксперимент, который мы сможем выполнить, только если обе миссии будут работать одновременно в течение как минимум нескольких лет: привнести звук в “космические фильмы”, наблюдая слияние сверхмассивных чёрных дыр в рентгеновском диапазоне и фиксируя гравитационные волны.

Благодаря этой уникальной возможности, выполнить беспрецедентные наблюдения одного из самых захватывающих явлений в космосе, синергия между Athena и LISA значительно увеличит научную отдачу от обеих миссий, обеспечив европейское лидерство в ключевой, новой области исследований.

Афина
Компьютерная модель телескопа IXO, предшественника телескопа ATHENA, который обещает быть очень похожим. Авторы и права: NASA.

Athena будет самой большой рентгеновской обсерваторией из когда-либо построенных. Она сможет исследовать некоторые из самых горячих и самых энергичных явлений во Вселенной с беспрецедентной точностью и глубиной.

Она предназначена для ответа на два фундаментальных вопроса: как сверхмассивные чёрные дыры в центре галактик образуются и эволюционируют, и как “обычная” материя взаимодействует с невидимой тёмной материей, образуя при этом тонкую “космическую сеть”, которая пронизывает всю Вселенную.

“Athena будет наблюдать за несколькими сотнями тысяч чёрных дыр, от относительно близких до очень далёких”, – говорит Маттео Гуайнацци, исследователь из ЕКА.

Астрономы особенно заинтересованы в самых далёких чёрных дырах, которые образовались в первые несколько сотен миллионов лет истории Вселенной, и исследователи надеются, что они смогут наконец понять, как они образовались.

Между тем, LISA будет первой космической обсерваторией для наблюдения за гравитационными волнами – флуктуациями в ткани пространства-времени, вызванными ускорением космических объектов с очень сильными гравитационными полями, такими как пары сливающихся чёрных дыр.

Интерферометр LISA
Космический лазерный интерферометр LISA в представлении художника. Авторы и права: EKA.

Гравитационно-волновая астрономия, появившаяся всего несколько лет назад, в настоящее время ограничивается высокочастотными волнами, которые можно исследовать с помощью наземных экспериментов, таких как LIGO и Virgo. Эти эксперименты чувствительны к слиянию относительно маленьких чёрных дыр – в несколько раз или несколько десятков раз более массивных, чем Солнце. LISA расширит эти исследования, обнаружив низкочастотные гравитационные волны, например, те, которые возникают при столкновении двух сверхмассивных чёрных дыр во время слияния галактик.

“LISA будет уникальной в своём роде миссией, в первую очередь ищущей гравитационные волны, исходящие от сливающихся сверхмассивных чёрных дыр”, – объясняет Пол Макнамара, исследователь из ESA.

Это одно из самых энергичных явлений, о которых мы знаем. Оно высвобождает колоссальное количество энергии. Если две сверхмассивные чёрные дыры сольются где-нибудь в космосе, LISA увидит это.

Первые несколько гравитационно-волновых событий, обнаруженных LIGO и Virgo в период между 2015 и 2017 годами, произошли от пар чёрных дыр звёздной массы, которые, как известно, не излучают свет при слиянии. Затем, в августе 2017 года, были обнаружены гравитационные волны, исходящие от иного источника – слияния двух нейтронных звёзд.

На этот раз гравитационные волны сопровождались излучением по всему электромагнитному спектру, легко наблюдаемому множеством телескопов на Земле и в космосе. Комбинируя информацию из различных типов наблюдений, учёные могут углубиться в детали этого никогда ранее не наблюдавшегося явления.

Нейтронные звёзды
Впечатление художника о слиянии двух нейтронных звёзд. Авторы и права: University of Warwick/Mark Garlick.

Вместе с Athena and LISA астрономы смогут впервые применить мультимедийную астрономию к сверхмассивным чёрным дырам. Моделирование предсказывает, что их слияния, в отличие от слияний их братьев по звёздной массе, испускают как гравитационные волны, так и излучение – последнее происходит в горячем межзвёздном газе двух сталкивающихся галактик, перемешиваемых парой чёрных дыр, когда они находятся в процессе слияния.

LISA обнаружит гравитационные волны, испускаемые чёрными дырами, движущимся по спирали друг к другу, примерно за месяц до их окончательного слияния, когда они всё ещё разделены расстоянием, эквивалентным нескольким радиусам этих чёрных дыр. Учёные ожидают, что часть слияний, обнаруженных LISA, особенно тех, которые находятся на расстоянии нескольких миллиардов световых лет от нас, приведёт к появлению рентгеновского сигнала, который в конечном итоге может увидеть и Athena.

“Когда LISA впервые обнаружит сигнал, мы ещё не будем знать, откуда именно он исходит, потому что LISA – это датчик всего неба, и он работает больше как микрофон, чем как телескоп”, – объясняет Пол.

Однако, когда чёрные дыры начнут процесс слияния, амплитуда их гравитационно-волнового сигнала начнёт увеличиваться. Это, в сочетании с движением объектов друг вокруг друга, позволит LISA постепенно улучшать локализацию источника в небе, до тех пор, пока чёрные дыры окончательно не сольются.

За несколько дней до финальной фазы слияния данные гравитационных волн будут ограничивать положение источника пятном на небе размером около 10 квадратных градусов – примерно в 50 раз больше площади полной Луны. Это всё ещё довольно большой участок, но это позволило бы Athena начать сканирование неба в поисках рентгеновского сигнала от этого титанического столкновения. Моделирование показывает, что две чёрные дыры, движущихся по спирали модулируют движение окружающего газа, поэтому, вероятно, рентгеновская сигнатура будет иметь частоту, соизмеримую с частотой сигнала гравитационной волны.

Гравитационные волны
Иллюстрация художника, показывающая заключительные этапы слияния нейтронных звёзд. Авторы и права: NASA / Goddard Space Flight Center.

Затем, всего за несколько часов до окончательного слияния чёрных дыр, LISA сможет обеспечить гораздо более точное местоположение объекта на небе, которое будет иметь размер поля зрения широкоугольного сканера Athena (WFI), поэтому рентгеновская обсерватория сможет напрямую указывать на источник.

“Поймать рентгеновский сигнал до того, как чёрные дыры станут единым целым, будет очень сложно, но мы уверены, что сможем сделать это во время и после слияния”, – объясняет Маттео.

Исследователи смогут увидеть появление нового источника рентгеновских лучей и, возможно, засвидетельствуют рождение активного галактического ядра, когда струи частиц высокой энергии будут двигаться со скоростью близкой к скорости света.

Более ста лет назад 29 мая 1919 года, наблюдения за положением звёзд во время полного солнечного затмения явились первым эмпирическим подтверждением гравитационного изгиба света, предсказанного несколькими годами ранее общей теорией относительности Альберта Эйнштейна. Это историческое затмение положило начало столетию гравитационных экспериментов на Земле и в космосе, открыв почву для вдохновляющих миссий, таких как Athena and LISA, и ещё более захватывающих открытий.

Присоединяйся

Вы могли пропустить:

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.