Збільшення чорних дір може досягати ~10% швидкості світла, кажуть вчені

Чорні діри, можливо, прямо зараз проносяться крізь Всесвіт з дивовижною швидкістю, що становить трохи менше 10 відсотків від швидкості світла.

Згідно з симуляціями зіткнень між цими екстремальними об’єктами, це максимальна швидкість, якої можуть досягти чорні діри після енергійного зіткнення.

Це набагато швидше, ніж попередні розрахунки, що свідчить про те, що, хоча нам ще багато чого треба дізнатися про те, як зіштовхуються чорні діри, ми наближаємося до розуміння цих бурхливих подій та їхніх наслідків.

“Ми змогли надати точну оцінку кінцевої віддачі, продукту високоенергетичного зіткнення двох чорних дір”, – пишуть дослідники Джеймс Хілі та Карлос Лусто з Рочестерського технологічного інституту.

“Екстраполяція на екстремальні спіни дозволила нам оцінити кінцеву віддачу у 28 562±342 кілометрів на секунду, що встановлює для неї межу в менш ніж 10 відсотків від швидкості світла”.

Коли дві чорні діри зливаються, кінцевий продукт не обов’язково закінчується тим, що вони просто сидять, займаючи початкове положення на галактичній орбіті, як бінарна пара. Зіткнення, залежно від його енергії, може спричинити віддачу, яка “виштовхує” кінцеву чорну діру – продукт двох початкових – на нову траєкторію і швидкість.

Це відбувається, коли гравітаційна енергія розподіляється нерівномірно, причому більше випромінюється в одному напрямку – результат нерівних мас або спінів, або і того, і іншого в парі чорних дір до злиття.

За попередніми оцінками, максимальна швидкість, якої можна досягти завдяки цьому ефекту, становить близько 5,000 кілометрів (3,107 миль) на секунду відносно точки початку.

На сьогоднішній день виявлено одну швидкісну чорну діру, яка, на думку вчених, є продуктом віддачі. Вона рухається зі швидкістю близько 1 542 кілометрів на секунду. Але визначення обмежень цього процесу може допомогти астрономам з’ясувати, як часто це відбувається.

Це дуже важлива інформація для науки про чорні діри. Наприклад, ми виявили чорні діри, які є масивнішими, ніж передбачає теорія.

Це можна пояснити великою кількістю чорних дір, які розлітаються після зіткнення. Чим більше чорних дір рухається, тим більша ймовірність зіткнень, які можуть призвести до утворення більш масивних чорних дір, ніж межа маси колапсу ядра.

Початкова конфігурація бінарного зіткнення чорних дір з кінцевим поштовхом. (Healy & Lousto, Phys. Rev. Lett., 2023)

Хілі та Лусто використали суперкомп’ютер, щоб виконати 1381 повне чисельне моделювання зіткнень між двома однаковими за масою чорними дірами з протилежними спінами, спрямованими вздовж їхньої орбітальної площини.

Саме так вони отримали свою максимальну швидкість: 28 562 кілометри (17 748 миль) на секунду. Це понад 100 мільйонів кілометрів на годину. Швидкість втечі об’єкта, що мчить Чумацьким Шляхом із сонячної околиці, становить 497 кілометрів на секунду.

Найшвидшим об’єктом, коли-небудь створеним людиною, є сонячний зонд Parker Solar Probe, який у 2021 році досяг швидкості 163 кілометри на секунду.

Отже, чорні діри в оптимальних умовах зіткнення? Досить страшенно швидкі. На щастя, точний сценарій, який використовували дослідники, досить малоймовірний; але виявлення екстремальних обмежень визначає арену для майбутніх досліджень.

Насправді, це дещо заспокоює. Дослідження, проведене кілька років тому, показало, що навколо Чумацького Шляху можуть існувати сотні чорних дір, що розлітаються від віддачі навіть тоді, коли ви читаєте ці слова.

Якщо вони рухаються трохи повільніше, ця ідея здається не такою страшною (хоча вони все одно навряд чи в нас вріжуться).

Хілі та Лусто також зазначили, що спін та орієнтація чорних дір у їхній симуляції були критично важливими для результуючої швидкості удару. Вони планують дослідити роль спіну більш детально в майбутній статті.