A bináris fekete lyuk két fekete lyukból álló rendszer, amelyek szoros pályán keringenek egymás körül. Maguk a fekete lyukakhoz hasonlóan a bináris fekete lyukakat általában csillagtömegű binárisokra osztják, amelyek nagy tömegű csillagrendszerek maradványaiként vagy dinamikus folyamatok és kölcsönös befogások során keletkeznek, valamint szupermasszív bináris fekete lyukakra, amelyek valószínűleg galaxisok egyesüléséből származnak .
Sok éven át nehéz volt bizonyítani a bináris fekete lyukak létezését a fekete lyukak természete és a megfigyelési módszerek korlátai miatt. Ha azonban egy pár fekete lyuk egyesül, hatalmas mennyiségű energia szabadul fel gravitációs hullámok formájában [2] [3] [4] . A 20. század végén és a 21. század elején a bináris fekete lyukak különösen érdekesekké váltak, mint a gravitációs hullámok potenciális forrásai és olyan objektumok, amelyek bizonyítják az ilyen hullámok létezését. A bináris fekete lyukak egyesülései az ilyen hullámok egyik legerősebb ismert forrása, ezért jó lehetőséget biztosítanak a gravitációs hullámok észlelésére. Ahogy a forgó fekete lyukak energiát adnak le, a pálya sugara csökken, és a forgási periódus csökken. Ebben az esetben a fekete lyukak spirálisan mozognak egymás felé. Egy ponton a fekete lyukak egyesülnek. Egyesüléskor egyetlen fekete lyuk fokozatosan stabilizálódik, miközben az alak bármilyen perturbációja további gravitációs hullámok kibocsátásához vezet [5] . Az utolsó szakaszban a második fekete lyuk nagyon nagy sebességet érhet el, a gravitációs hullámok tetőznek.
A csillagtömegekből (és a gravitációs hullámokból) álló bináris fekete lyukak létezését végül megerősítették, amikor a LIGO felfedezte a GW150914 -et (megtalálva 2015 szeptemberében, bejelentette: 2016 februárjában), amely két, körülbelül 30 naptömegű tömegű, egyesülő fekete lyuk létezésének külön megnyilvánulása. körülbelül 1,3 milliárd fényévnyi távolságra a Földtől. Az utolsó szakaszban (20 ezredmásodperc), amikor spirálisan mozgott és összeolvadt, a GW150914 körülbelül 3 naptömeget bocsátott ki gravitációs energia formájában , a csúcson a teljesítmény 3,6⋅10 49 W volt - több, mint az összes teljes sugárzási teljesítménye. csillagok az Univerzumban [6] [7 ] [8] . A kettős szupermasszív fekete lyukak létezését felfedezték, de nem erősítették meg kategorikusan [9] .
A bináris szupermasszív fekete lyukakról azt gondolják, hogy a galaxisok egyesüléséből keletkeznek . Néhány valószínű bináris fekete lyuk jelölt kettős maggal rendelkező galaxisokban található. Kétmagos galaxisra példa az NGC 6240 [10] . Sokkal közelebbi bináris fekete lyukak találhatók a kettős emissziós vonalakkal rendelkező egymagos galaxisokban, mint például az SDSS J104807.74+005543.5 [11] és az EGSD2 J142033.66 525917.5 [10] . Más periodikus emissziós galaktikus magok a központi fekete lyuk körül keringő nagy objektumok jelenlétére utalnak, például az OJ287 -ben [12] .
A Quasar PG 1302-102 központi fekete lyukkal rendelkezhet, amelynek forgási ideje 1900 nap [13] .
A bináris fekete lyukak létezését a GW150914 fekete lyukak egyesüléséből származó gravitációs hullámok megfigyelése mutatta ki [14] .
Amikor két galaxis ütközik, a középpontjukban lévő szupermasszív fekete lyukak nem ütköznek frontálisan, hanem elrepülnek egymás mellett, hacsak valamilyen mechanizmus nem hozza közelebb őket egymáshoz. Ilyen mechanizmus a dinamikus súrlódás , amely a fekete lyukakat több parszeknyi távolságra hozza össze egymástól. Ezen a távolságon szoros bináris rendszert alkotnak. Az orbitális energia elvesztése a fekete lyukak további közeledéséhez vezet [15] .
A magyarázat egyszerűnek tűnik: a fekete lyukak energiát adnak át a közöttük lévő gáznak és a csillagoknak, ami a gravitációs manőver során az anyag nagy sebességű kilökődéséhez és energiavesztéshez vezet. Azonban a tér térfogata, amelyben ez a folyamat végbemegy, a pálya összehúzódásával csökken, és abban a pillanatban, amikor a fekete lyukak távolsága körülbelül 1 parszek, nagyon kevés anyag lesz a csillagok között, így évmilliárdok kellene a pálya csökkenni a szakaszos egyesülésekig. A gravitációs hullámok is hozzájárulhatnak az energiaveszteséghez, de csak akkor, ha a pálya 0,01-0,001 pc -re zsugorodik .
A szupermasszív fekete lyukak azonban egyesülnek, ilyen pár figyelhető meg a PKS 1302-102 -ben [16] . Azt a kérdést, hogy pontosan hogyan jönnek létre az egyesülések, „végső parszek problémának” nevezik [17] .
A végső parszek problémára számos megoldást javasoltak. A legtöbb lehetőség egy hatalmas kettős rendszer kölcsönhatását foglalja magában a környező anyaggal - csillagokkal vagy gázzal -, amely felveheti a kettős rendszer energiáját, és összenyomódásához vezethet. Például, ha elegendő számú csillag repül el egy kettősrendszer mellett, akkor gravitációs kilökődésük meglehetősen gyorsan összehozhatja a fekete lyukakat [18] .
A bináris fekete lyuk fejlődésének első szakasza egy spirális mozgás, amely során a pálya fokozatos csökkenése következik be. A spirálozás első szakaszai nagyon hosszú ideig tartanak, mivel ebben az időszakban a kisugárzott gravitációs hullámok gyengék. Amellett, hogy a gravitációs hullámok kibocsátása miatt csökkenti a pályát, a szögimpulzus is csökkenhet, ha egy bináris fekete lyuk közelében más anyagokkal lép kölcsönhatásba.
A pálya csökkenésével a sebesség növekszik, és a gravitációs hullámok sugárzása nő. Amikor a fekete lyukak közelednek egymáshoz, a pálya gyorsabban csökken.
Az utolsó stabil pálya vagy legbelső stabil körpálya az a legbelső pálya, amely után megtörténik az átmenet a spirálozásból az összeolvadásba.
Miután spirálisan közeledik, a bináris egy olyan pályára kerül, amelyen az egyesülés megtörténik. Ebben az esetben a gravitációs hullámok sugárzása eléri a maximumot.
Közvetlenül az egyesülés után a létrejövő fekete lyuk alakja egy prolate és egy lapos szferoid között oszcillál. A gravitációs hullámok kibocsátásával az alak stabilizálódik. Ennek eredményeként enyhe deformáció marad a nullától eltérő spin miatt .
Az összeolvadó csillagtömegű fekete lyuk bináris első észlelését a LIGO detektor [14] [19] [20] végezte . A Földről végzett mérések szerint egy körülbelül 36 és 29 naptömegű becsült tömegű fekete lyukpár forgott egymás körül, és egyesült egy 62 naptömegű fekete lyukkal. A jel 2015. szeptember 14-én érkezett. 09:50 UTC-kor [21] . A Nap három tömege alakult át gravitációs sugárzássá a másodperc utolsó töredékei alatt, a csúcsteljesítmény elérte a 3,6×10 56 erg/s-ot (200 naptömeg másodpercenként) [14] , ami 50-szerese a teljes teljesítménynek. csillagok a megfigyelhető Univerzumban [22] . Az egyesülés a Naptól 1,3 milliárd fényévnyi távolságra történt [19] . A megfigyelt jel összhangban van a relativitáselmélet [2] [3] [4] előrejelzéseivel .
Az egymástól távol eső fekete lyukak esetében egyszerű algebrai modellek használhatók a spirális szakaszban.
A spirálozási szakaszhoz poszt-newtoni közelítéseket is használnak . Lehetővé teszik a relativitáselmélet egyenletek hozzávetőleges értékeinek megszerzését, ha további tagokat adunk a newtoni gravitációs képletekhez. Az ilyen számításokban használt sorrendek 2PN (másodrendű Newtoni közelítés), 2.5PN vagy 3PN (harmadik rendű Newtoni közelítés) jelöléssel szolgálhatnak. Létezik egy közelítés is ( angol hatékony-one-body ), amelyben az egyenletek egy objektumra vonatkoztatva egyenletekre redukálódnak. Ez a lehetőség különösen nagy tömegarány esetén hasznos, mint például egy csillagtömegű fekete lyuk és a galaktikus magban lévő fekete lyuk egyesítésekor, de alkalmazható egyenlő tömegek esetén is.
A végső szakaszban a fekete lyukak perturbációelmélete használható. A keletkező Kerr fekete lyuk deformálódik, a fekete lyuk által keltett spektrum kiszámítható.
Egy rendszer teljes fejlődésének modellezéséhez, beleértve az összeolvadást is, meg kell oldani az általános relativitáselmélet teljes egyenleteit. Ez megtehető a numerikus relativitáselmélet módszereivel . A numerikus relativitáselmélet modelljei változnak a tér-időben. A számításoknál fontos a fekete lyukak közelében lévő részletek vizsgálata, bizonyos esetekben a felbontás elegendő a végtelenig terjedő gravitációs sugárzás meghatározásához. Speciális koordinátarendszereket, például Boyer-Lindqvist koordinátákat vagy halszem koordinátákat használnak, hogy a számításokat ésszerű időn belül el lehessen végezni.
A numerikus relativitáselmélet módszerei nagymértékben fejlődtek az 1960-as és 1970-es években történt első próbálkozások óta [23] [24] . A fekete lyukak visszafordításának hosszú távú szimulációja nem volt lehetséges mindaddig, amíg három kutatócsoport egymástól függetlenül új módszereket nem fejlesztett ki a fekete lyukak spirálozásának, egyesülésének és a fekete lyukak evolúciójának végső fázisának modellezésére [2] [3] [4] 2005-ben.
A teljes összevonási modellezésben ezek közül a módszerek közül több kombinálva is használható. Ebben az esetben fontos a különböző algoritmusok szerint kidolgozott modellek különálló szakaszainak kombinálása. A Lazarus Project egy fúzió során összekapcsolja a térbeli hiperfelület részeit [25] .
A számítási eredmények tartalmazhatják a kötési energiát. Stabil pálya esetén a kötési energia egy lokális minimum a paraméterek perturbációjához képest. A legbelső stabil pályán a lokális minimum inflexiós ponttá alakul.
A létrejövő gravitációs hullámfront fontos a megfigyelések előrejelzéséhez és a jelenség megerősítéséhez. Amikor spirálban mozognak, amikor a fekete lyukak elérik egy erős gravitációs mező területét, a hullámok szétszóródnak a területen, és létrehoznak egy poszt-newtoni "farkot" [25] .
A Kerr fekete lyuk végső szakaszában az inerciális referenciakeret ellenállása gravitációs hullámokat hoz létre. A Schwarzschild fekete lyuk a végső szakaszban szórt hullámok formájában figyelhető meg, de nincs közvetlen hulláma [25] .
A sugárzási reakcióerő a gravitációs hullámok áramlásának Padé összegzésével számítható ki. A sugárzási becslés a Cauchy-módszerrel készíthető, amely közeli becslést ad a végtelenben lévő sugárzási fluxusra, anélkül, hogy nagy és nagy távolságokra kellene számításokat végezni.
A keletkező fekete lyuk tömege az általános relativitáselméletben a tömeg definíciójától függ. Az M B Bondi tömeget a Bondi-Saha tömegveszteség képlettel számítjuk ki. . Itt f(U) a gravitációs hullám fluxusa U időpontban. f a News függvény felületi integrálja. Az Arnovitt-Deser-Misner energiája vagy tömege az a tömeg, amelyet végtelen távolságból mérnek, és figyelembe veszik a gravitációs hullámok összes kisugárzott energiáját. .
A gravitációs hullámok kibocsátásakor a szögimpulzus is elveszik . A legtöbb veszteség a z tengely mentén következik be [26] .
Az egyik megoldandó probléma az eseményhorizont alakjának vagy topológiájának meghatározása a fekete lyukak egyesülése során.
A numerikus modellek figyelembe veszik a geodéziai vonalak és kölcsönhatásuk tesztelését az eseményhorizont elérésekor. A fekete lyukak közeledtével minden eseményhorizont egy kacsacsőr szerkezetet alkot a másik fekete lyuk felé. Ahogy közelednek, a "csőrök" egyre hosszabbak és keskenyebbek, amíg nem találkoznak. Ebben az esetben az eseményhorizont a találkozási pontban X-alakú [27] . Az érintkezési pont egy megközelítőleg hengeres képződmény - egy híd [27] .
Amikor a fekete lyukak egyesülnek, váratlan eredmény léphet fel, amikor a gravitációs hullámok elviszik a szögimpulzusokat, és az egyesülő fekete lyukpárok úgy gyorsulnak fel, hogy az megsérti Newton harmadik törvényét. A súlypont kilökési sebessége 1000 km/s lehet [28] . A legnagyobb sebességnövekedés (akár 5000 km/s) a bináris fekete lyukak azonos tömegénél és azonos forgásánál jelentkezik, amikor a forgásirányok ellentétesek, párhuzamosak a pályasíkkal, vagy csaknem párhuzamosak a pálya szögimpulzusával [29] . Ez elég lehet egy nagy galaxis elhagyásához. Valószínűbb tájolásnál kisebb hatás lép fel, csak pár száz km/s adják hozzá. Ilyen sebességgel az egyesülő bináris fekete lyukak kilökődnek a gömbhalmazok magjából . Ez csökkenti a későbbi egyesülések esélyét és a gravitációs hullámok észlelésének valószínűségét. A nem forgó fekete lyukak esetében a maximális sebességnövekmény 175 km/s, 5:1 tömegarány mellett. Ha a spinek a keringési síkban egyirányúak, két azonos fekete lyukkal, akkor 5000 km/s sebességnövekmény lehetséges [30] . Az érdekes paraméterek közé tartozik a fekete lyukak egyesülési pontja, a tömegarány, amelynél a maximális sebességnövekedés bekövetkezik, és hogy mennyi energiát visznek el a gravitációs hullámok. Frontális ütközés esetén ez az arány 0,002 vagy 0,2% [31] . A fekete lyukak egyesülésének egyik legvalószínűbb jelöltje a szupermasszív fekete lyuk CXO J101527.2+625911 [32] .