Танец чёрных дыр и рождение гравитационных молекул ✛
Две чёрные дыры кружатся в тесном танце, и вокруг них рождается нечто удивительное — гравитационная молекула. Облако ультралёгких бозонов, частиц с массой меньше электронвольта, обволакивает пару, как электронное облако в ионе H2+. Только роль ядер играют чёрные дыры, а роль электрона — поле, размазанное на десятки километров. Этот танец не безупречен: внутренняя часть молекулы кружится в такт орбите, а внешняя отстаёт, и от этого разлетаются искры — бозоны вылетают из связанного состояния. Такой процесс физики называют ионизацией.
Раньше было неясно, как ведёт себя это облако, когда чёрные дыры имеют сравнимые массы. Исследователи смоделировали танец на суперкомпьютере: взяли равные массы, расстояние в 20 масс чёрной дыры, массу бозона 0.2 в единицах массы чёрной дыры. Получился боровский радиус 25M — характерный размер гравитационного атома. Оказалось, что внутренняя область до половины расстояния между дырами вращается вместе с орбитой, а внешняя отстаёт. Ионизационные пики в спектре появляются на частотах, сдвинутых от связанных состояний на целые кратные орбитальной частоты. Для круговых орбит доминирует одна мода, для эксцентричных — другая, с амплитудой, растущей как степень эксцентриситета.
Это открытие меняет картину эволюции двойных чёрных дыр. Ионизация может отбирать энергию и угловой момент быстрее, чем излучение гравитационных волн, особенно на ранних этапах. В спектре стохастического гравитационно-волнового фона должен появиться характерный излом на частоте около 2.8 нГц для типичных параметров. Такие данные уже сегодня можно искать в наблюдениях пульсарных тайминговых массивов. Это шаг к решению загадки последнего парсека: как сверхмассивные двойные чёрные дыры преодолевают последний парсек и сливаются. Ионизация гравитационных молекул может быть тем механизмом, который ускоряет слияние.
Танец чёрных дыр и облака бозонов продолжается, и каждый вылетевший бозон — это искра, уносящая энергию. Молекула тает, орбита сжимается, и в конце концов чёрные дыры сливаются в единое целое. Гравитационные волны от этого слияния донесут до нас память о танце, и, возможно, именно в их спектре мы увидим след гравитационной молекулы.
Гравитационная молекула напоминает ион H2+: два тяжёлых ядра и общее электронное облако. Только роль ядер играют чёрные дыры, а роль электрона — поле ультралёгкого бозона, размазанное на десятки километров.
В романе Лю Цысиня «Задача трёх тел» гравитационные взаимодействия в тройной системе приводят к хаосу. Здесь пара чёрных дыр и облако бозонов образуют упорядоченную «молекулу», но её ионизация вносит элемент непредсказуемости в судьбу системы.