Ett binärt svart hål är ett system som består av två svarta hål som roterar i en snäv bana runt varandra. Liksom de svarta hålen själva delas binära svarta hål vanligtvis in i binärer av stjärnmassa, bildade som resterna av stjärnsystem med hög massa eller under dynamiska processer och ömsesidiga fångar, och supermassiva binära svarta hål, troligen ett resultat av sammanslagningar av galaxer .
Under många år har det varit svårt att bevisa förekomsten av binära svarta hål, på grund av själva de svarta hålens natur och observationsmetodernas begränsningar. Men när ett par svarta hål smälter samman frigörs en enorm mängd energi i form av gravitationsvågor [2] [3] [4] . Under slutet av 1900-talet och början av 2000-talet blev binära svarta hål av särskilt intresse som en potentiell källa till gravitationsvågor och ett föremål som bevisar existensen av sådana vågor. Binära svarta håls sammanslagningar är en av de starkaste kända källorna till sådana vågor och ger därför en bra möjlighet att upptäcka gravitationsvågor. När snurrande svarta hål avger energi, minskar omloppsradien och rotationsperioden minskar. I det här fallet rör sig svarta hål i en spiral mot varandra. Vid någon tidpunkt smälter svarta hål samman. Vid sammanslagning blir ett enda svart hål gradvis stabilt, medan varje störning av formen leder till utsläpp av ytterligare gravitationsvågor [5] . I slutskedet kan det andra svarta hålet nå mycket höga hastigheter, med gravitationsvågor som toppar.
Förekomsten av binära svarta hål av stjärnmassor (och gravitationsvågor) bekräftades slutligen när LIGO upptäckte GW150914 (hittad september 2015, tillkännagav februari 2016), en separat manifestation av existensen av två sammanslagna svarta hål med en massa på cirka 30 solmassor på ett avstånd av cirka 1,3 miljarder ljusår från jorden. I slutskedet (20 millisekunder), när man rörde sig i en spiral och smälte samman, släppte GW150914 ut cirka 3 solmassor i form av gravitationsenergi , vid toppen var effekten 3,6⋅10 49 W - mer än den totala strålningseffekten av alla stjärnor i universum [6] [7 ] [8] . Förekomsten av dubbla supermassiva svarta hål har upptäckts, men har inte kategoriskt bekräftats [9] .
Binära supermassiva svarta hål tros uppstå från galaxsammanslagningar . Vissa troliga binära svarta hålskandidater kan finnas i galaxer med dubbla kärnor. Ett exempel på en galax med dubbelkärna är NGC 6240 [10] . Mycket närmare binära svarta hål kan hittas i enkelkärniga galaxer med dubbla emissionslinjer, som SDSS J104807.74+005543.5 [11] och EGSD2 J142033.66 525917.5 [10] . Andra galaktiska kärnor med periodisk emission tyder på närvaron av stora föremål som kretsar kring det centrala svarta hålet, till exempel i OJ287 [12] .
Quasar PG 1302-102 kan ha ett centralt svart hål med en rotationsperiod på 1900 dagar [13] .
Förekomsten av binära svarta hål visades genom att observera gravitationsvågor från sammanslagning av svarta hål GW150914 [14] .
När två galaxer kolliderar kolliderar de supermassiva svarta hålen i deras centrum inte frontalt, utan kommer att flyga förbi varandra om inte någon mekanism för dem närmare varandra. En sådan mekanism är dynamisk friktion , som sammanför svarta hål upp till ett avstånd av flera parsec från varandra. På detta avstånd bildar de ett nära binärt system. Förlust av orbital energi leder till ytterligare närmande av svarta hål [15] .
Förklaringen verkar enkel: svarta hål överför energi till gasen och stjärnorna mellan dem, vilket leder till utstötning av materia i hög hastighet i processen av gravitationsmanöver och förlust av energi. Men volymen av rymden där denna process sker krymper när omloppsbanan drar ihop sig, och i det ögonblick då avståndet mellan svarta hål är cirka 1 parsec kommer det att finnas väldigt lite substans mellan stjärnorna, så det skulle ta miljarder år för omloppsbanan att minska till scenen sammanslagningar. Gravitationsvågor kan också bidra till energiförlusten, men bara när omloppsbanan krymper till 0,01-0,001 pc .
Men supermassiva svarta hål upplever sammanslagningar, ett sådant par observeras i PKS 1302-102 [16] . Frågan om exakt hur sammanslagningar uppstår kallas det "slutliga parsec-problemet" [17] .
Ett antal lösningar på det slutliga parsec-problemet har föreslagits. De flesta av alternativen involverar interaktionen av ett massivt binärt system med den omgivande materien - stjärnor eller gas - vilket kan ta energin från det binära systemet och leda till dess kompression. Till exempel, om ett tillräckligt antal stjärnor flyger förbi ett binärt system, kan deras gravitationsutstötning föra samman de svarta hålen ganska snabbt [18] .
Det första steget i utvecklingen av ett binärt svart hål är en spiralrörelse, under vilken det sker en gradvis minskning av omloppsbanan. De första stadierna av spiralbildning varar mycket länge, eftersom de utstrålade gravitationsvågorna under denna period är svaga. Förutom att minska omloppsbanan på grund av emissionen av gravitationsvågor, kan vinkelmomentet också minska när det interagerar med annan materia i närheten av ett binärt svart hål.
När omloppsbanan minskar ökar hastigheten och strålningen från gravitationsvågor ökar. När svarta hål närmar sig varandra minskar omloppsbanan snabbare.
Den sista stabila omloppsbanan eller den innersta stabila cirkulära banan är den innersta fullständiga omloppsbanan efter vilken övergången från spiralformning till sammansmältning sker.
Efter att ha närmat sig i en spiral, flyttar binären till en bana där sammanslagningen sker. I detta fall når strålningen av gravitationsvågor ett maximum.
Omedelbart efter sammanslagningen pendlar det resulterande svarta hålet i form mellan en prolat och en oblate sfäroid. När gravitationsvågor emitteras stabiliseras formen. Som ett resultat kvarstår det en liten deformation på grund av spinn som inte är noll .
Den första upptäckten av ett binärt binärt svart hål av stjärnmassa gjordes av LIGO -detektorn [14] [19] [20] . Enligt mätningar från jorden roterade ett par svarta hål med beräknade massor av cirka 36 och 29 solmassor runt varandra och slogs samman till ett svart hål med en massa av 62 solmassor, signalen togs emot den 14 september 2015 kl 09:50 UTC [21] . Tre massor av solen omvandlades till gravitationsstrålning under de sista bråkdelen av en sekund, effekten vid toppen nådde 3,6×10 56 erg/s (200 solmassor per sekund) [14] vilket är 50 gånger större än den totala effekten av stjärnor i det observerbara universum [22] . Sammanslagningen skedde på ett avstånd av 1,3 miljarder ljusår från solen [19] . Den observerade signalen överensstämmer med förutsägelserna av relativitetsteorin [2] [3] [4] .
När det gäller svarta hål långt ifrån varandra kan enkla algebraiska modeller användas under spiralstadiet.
För spiralstadiet används också post-newtonska approximationer . De tillåter en att få ungefärliga värden på relativitetsteorins ekvationer genom att lägga till ytterligare termer till de Newtonska gravitationsformlerna. Beställningarna som används i sådana beräkningar kan betecknas 2PN (andra ordningens post-Newtonsk approximation) 2,5PN eller 3PN (tredje ordningens post-Newtonsk approximation). Det finns också en approximation ( engelska effective-one-body ), där ekvationerna reduceras till ekvationer med avseende på ett objekt. Det här alternativet är särskilt användbart i fallet med ett stort massförhållande, som vid sammanslagning av ett svart hål med stjärnmassa med ett svart hål i den galaktiska kärnan, men kan också tillämpas i fallet med lika stora massor.
I slutskedet kan man använda störningsteorin om svarta hål. Det resulterande Kerr-svarta hålet deformeras, spektrumet som produceras av det svarta hålet kan beräknas.
För att modellera den fullständiga utvecklingen av ett system, inklusive sammanslagning, måste man lösa de fullständiga ekvationerna för allmän relativitet. Detta kan göras med metoder för numerisk relativitet . Numerisk relativitet modellerar förändringar i rum-tid. I beräkningar är det viktigt att undersöka detaljerna nära svarta hål, i vissa fall räcker upplösningen för att bestämma gravitationsstrålningen som sträcker sig till oändligheten. Särskilda koordinatsystem som Boyer-Lindqvist-koordinater eller fisheye-koordinater används för att beräkningar ska kunna genomföras inom rimlig tid.
Numeriska relativitetsmetoder har förbättrats avsevärt sedan de första försöken på 1960- och 1970 -talen [23] [24] . Långtidssimuleringar av svarta håls reverseringar var inte möjliga förrän tre forskarlag oberoende utvecklade nya metoder för att modellera svarta håls spiralbildning, sammanslagning och slutfasen av svarta håls evolution [2] [3] [4] 2005.
I full sammanslagningsmodellering kan flera av dessa metoder användas i kombination. I det här fallet är det viktigt att kombinera separata avsnitt av modeller utvecklade enligt olika algoritmer. Lazarusprojektet länkar samman delar av en rumslig hyperyta under en sammanslagning [25] .
Beräkningsresultaten kan inkludera bindningsenergin. För en stabil omloppsbana är bindningsenergin ett lokalt minimum med avseende på störningen av parametrarna. På den innersta stabila omloppsbanan övergår det lokala minimumet till en vändpunkt.
Gravitationsvågsfronten som skapas är viktig för att förutsäga observationer och bekräfta fenomenet. När de rör sig i en spiral, när svarta hål når området för ett starkt gravitationsfält, sprids vågorna i området och skapar en post-newtonsk "svans" [25] .
I slutskedet av ett Kerr-svart hål skapar tröghetsreferensramens motstånd gravitationsvågor. Det svarta hålet Schwarzschild i slutskedet observeras i form av spridda vågor, men har inga direkta vågor [25] .
Strålningsreaktionskraften kan beräknas genom att summera Padé för flödet av gravitationsvågor. Strålningsuppskattningen kan göras med Cauchys metod, som ger en nära uppskattning av strålningsflödet i oändligheten, utan att man behöver göra beräkningar på stora och stora avstånd.
Den resulterande massan av det resulterande svarta hålet beror på definitionen av massa i allmän relativitetsteori. Bondi-massan MB beräknas med Bondi- Sahas massförlustformel. . Här är f(U) gravitationsvågsflödet vid tidpunkten U. f är ytintegralen för News-funktionen. Energin eller massan hos Arnovitt-Deser-Misner är massan mätt från ett oändligt avstånd och tar hänsyn till all utstrålad energi från gravitationsvågor. .
När gravitationsvågor sänds ut förloras också vinkelmomentet . Det mesta av förlusten sker längs z-axeln [26] .
Ett problem som måste lösas är att bestämma formen, eller topologin, av händelsehorisonten under sammanslagningar av svarta hål.
Numeriska modeller överväger att testa geodetiska linjer och deras interaktion när de når händelsehorisonten. När svarta hål närmar sig bildar varje händelsehorisont en anknäbbstruktur mot det andra svarta hålet. När de närmar sig blir "näbbarna" längre och smalare tills de möts. I det här fallet har händelsehorisonten en X-form vid mötesplatsen [27] . Kontaktpunkten är en ungefär cylindrisk formation - en bro [27] .
När svarta hål smälter samman kan ett oväntat resultat uppstå där gravitationsvågor bär bort vinkelmomentum, och det sammanslagna paret av svarta hål accelererar på ett sätt som verkar bryta mot Newtons tredje lag. Tyngdpunkten kan ha en utstötningshastighet på 1000 km/s [28] . De största hastighetsökningarna (upp till 5000 km/s) inträffar vid lika massor och lika snurr av binära svarta hål, när riktningarna för spinn är motsatta, parallella med omloppsplanet, eller nästan parallella med omloppsrörelsens rörelsemängd [29] . Detta kan vara tillräckligt för att lämna en stor galax. Vid mer sannolika orienteringar uppstår en mindre effekt, endast några hundra km/s tillkommer. Vid sådana hastigheter kan sammanslagna binära svarta hål kastas ut från kärnorna i klotformiga kluster . Detta minskar chanserna för efterföljande sammanslagningar och sannolikheten för att upptäcka gravitationsvågor. För icke-roterande svarta hål är det maximala hastighetsökningen 175 km/s med ett massförhållande på 5 till 1. Om spinnen är samriktade i orbitalplanet, med två identiska svarta hål, är ett hastighetsökning på 5000 km/s möjligt [30] . Parametrar som kan vara av intresse inkluderar punkten där svarta hål smälter samman, massförhållandet vid vilket den maximala hastighetsökningen inträffar och hur mycket av energin som förs bort av gravitationsvågor. Vid en frontalkollision är denna andel 0,002 eller 0,2 % [31] . En av de mest troliga kandidaterna för sammanslagningar av svarta hål är det supermassiva svarta hålet CXO J101527.2+625911 [32] .