Учени за първи път измериха напълно „отката“ на черна дупка след удар

Учените за първи път определиха не само скоростта, но и посоката на „отката“ на черна дупка след сблъсъка ѝ с друга и това отваря ново ниво в изучаването на гравитационните вълни и поведението на най-екстремните обекти във Вселената.

Проучване на екип от Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE) към Университета на Сантяго де Компостела и публикувано в списание Nature Astronomy, позволи първото едновременно измерване на скоростта и посоката на така наречения „откат“ на черна дупка след сливане. Това явление се случва, защото произведените по време на сблъсъка гравитационни вълни, носят със себе си енергия и импулс и ако този „излъчен поток“ е разпределен неравномерно, обрадзувалата се черна дупка получава тласък в пространството.

Гравитационните вълни, предсказани от Айнщайн през 1916 г., са изключително слаби вибрации в пространство-времето, които възникват при сблъсък на масивни обекти, като черни дупки. Когато две черни дупки се слеят, радиацията не е идеално симетрична, така че получената черна дупка може буквално да „отлети“ в определена посока. Силата на този „космически шок“ зависи от масите и въртенията на обектите, а посоката зависи от тяхната ориентация в пространството.

Досега учените са били в състояние точно да определят само един ключов параметър на системата – нейния орбитален наклон. Друг важен ъгъл, който описва посоката в равнината (азимутален), обаче е оставал почти недостъпен за измерване. Новата работа показва, че така наречените висши модове на гравитационните вълни съдържат достатъчно информация, за да реконструират тази „изгубена“ част от пространствената картина.

Методът е тестван върху реалното космическо събитие GW190412, регистрирано през 2019 г. от детекторите LIGO и Virgo. Това е сливане на две черни дупки с различна маса, което създава ясно дефинирани сложни вълнови модели. Използвайки компютърни симулации, базирани на уравненията на Айнщайн, изследователите установили, че скоростта на отката надвишава 50 км/с. Това е достатъчно, за да може черната дупка да напусне някои плътни звездни купове, като например кълбовидните купове. Статистическата надеждност на резултата също е висока и е около 95%.

В допълнение към скоростта ѝ, екипът успял да определи посоката на движение на черната дупка след сливането спрямо ключови ориентири, като орбиталната ѝ ос и посоката ѝ към Земята. Оказало се, че „космическият удар“ не е бил насочен нито по орбиталната равнина, нито директно към нас, а по-скоро в междинна позиция.

За да обяснят този ефект по-просто, учените сравнили сигнала на гравитационните вълни с оркестър: различните „инструменти“ стават по-ясни в зависимост от точката, от която се слушат. Именно тази сложна „мелодия“ е направила възможно пресъздаването на триизмерното движение на черна дупка, дори ако тя е на милиарди светлинни години от Земята.

Такива измервания са от решаващо значение за разбирането на събития, при които сливанията на черни дупки могат да бъдат съпроводени от излъчване на светлина, като например в активни галактически ядра. Дали ще видим тази светлина зависи от това в коя посока се е случило „отскачането“ спрямо Земята. Следователно, определянето на посоката на движение помага да се разбере дали гравитационните сигнали съвпадат със светлинните проблясъци или това е просто съвпадение.

Като цяло, това проучване показва, че науката за гравитационните вълни надхвърля простото откриване на сливания на черни дупки. Учените вече могат да реконструират самата геометрия на тези събития в космоса. Измерването на скоростта и посоката на „отката“ отваря пътя към по-дълбоко разбиране за това как черните дупки растат и влияят на еволюцията на Вселената.