Чёрные дыры внутри звёзд-бессмертных: как газ ускоряет слияния в ядрах галактик ✛
В центре галактики, где сверхмассивная чёрная дыра закручивает вокруг себя диск раскалённого газа, иногда рождаются звёзды-гиганты. Они не похожи на обычные: диск непрерывно подкармливает их веществом, и звезда может вырасти до сотен масс Солнца, оставаясь яркой, пока поток газа не иссякнет. Такая звезда — как губка, впитывающая воду: она живёт, пока её наполняют. Если в эту губку попадает чёрная дыра звёздной массы, начинается нечто необычное.
Чёрная дыра, оказавшись внутри звезды, не падает сразу в центр. Газ вокруг неё тормозит движение так же, как вязкий мёд замедляет падающую дробинку. Это газовое трение заставляет чёрную дыру описывать спираль, постепенно приближаясь к ядру звезды. Путь от поверхности до центра занимает около десятой доли года — мгновение по космическим меркам. Если в звезду попадает вторая чёрная дыра, они встречаются в ядре и образуют тесную пару.
Пара чёрных дыр внутри звезды ведёт себя как две капли ртути, брошенные в масло. Газ вокруг них не просто тормозит — он выдавливает энергию из орбитального движения, заставляя чёрные дыры сближаться. Время слияния сокращается с миллионов лет до одного часа. Гравитационные волны от такого слияния были бы заметны детекторам LIGO–Virgo–KAGRA, но сигнал имеет особенность: на частотах, которые слышит LISA, он подавлен, а в децигерцовом диапазоне — сдвинут по фазе. Будущий детектор DECIGO сможет различить эту подпись.
Каждая звезда-гигант переживает лишь одно-два таких слияния. После этого газ в ней разогревается или звезда разрушается, поэтому иерархический рост чёрных дыр до промежуточных масс ограничен. Это объясняет, почему в популяции слияний, зарегистрированных LIGO–Virgo–KAGRA, наблюдается избыток событий с положительным эффективным спином: чёрные дыры, слившиеся внутри звезды, наследуют её вращение.
Вернёмся к губке, впитывающей газ. Звезда-гигант в диске активного ядра — не просто пассивный резервуар. Она становится естественным ускорителем слияний, где газ играет роль невидимой руки, сводящей чёрные дыры за часы. Этот механизм, возможно, уже оставил след в данных гравитационно-волновых обсерваторий, но чтобы его увидеть, нужны детекторы нового поколения, чувствительные к децигерцовым частотам. Тогда мы сможем заглянуть внутрь этих звёздных коконов и увидеть, как рождаются пары чёрных дыр.
Звезда-бессмертный радиусом 12,5 радиуса Солнца содержит газ с плотностью в ядре 16 г/см^3 — это как 16 кубиков сахара в объёме одного кубического сантиметра. Чёрная дыра, падающая в такое ядро, проходит путь от поверхности до центра за время, сравнимое с одним оборотом Земли вокруг Солнца, но при этом совершает сотни витков.
В романе «Гиперион» Дэна Симмонса Техно-Центр использует чёрные дыры для манипуляций с пространством-временем. Здесь чёрные дыры внутри звёзд выступают как естественные ускорители слияний, но идея компактных объектов, скрытых в плотной среде и влияющих на судьбу системы, перекликается.