Газовый диск искажает гравитационно-волновой сигнал двойных черных дыр: расчеты LISA

Международная группа исследователей провела трехмерные гидродинамические симуляции двойной системы массивных черных дыр (MBHB) с равными массами по 10? солнечных, обращающихся по квазикруговой орбите. Система была помещена в пропагационный, локально изотермический циркумбинарный диск (CBD) с отношением толщины к радиусу 0,1. Работа опубликована на сервере препринтов arXiv.

Впервые для диска с таким аспектным отношением ученые измерили гравитационные и аккреционные моменты, действующие на бинарную систему, одновременно с учетом потери энергии на гравитационные волны (ГВ). Динамика двойной описывалась с помощью постньютоновских поправок 2,5-го порядка, что позволило проследить эволюцию с 55 до 46 шварцшильдовских радиусов — раннюю фазу, попадающую в диапазон чувствительности будущей космической обсерватории LISA на красном смещении z~1.

Авторы отмечают, что морфология временного ряда аккреции на черные дыры умеренно изменяется, когда доминирующим механизмом эволюции становится излучение гравитационных волн. Кроме того, обнаружен фазовый сдвиг орбиты, вызванный газовым диском: за 600 орбитальных циклов он составил 0,12 радиана. Такой сдвиг, по расчетам, должен быть зафиксирован детектором LISA на z=1.

Полученные результаты важны для мультимессенджерной астрономии. Одновременные наблюдения модуляции аккреции с помощью обзоров LSST или Roman и фазового сдвига с помощью LISA предоставят ключевую информацию о сложном окружении вокруг массивных двойных черных дыр. Это поможет уточнить модели формирования и эволюции таких систем в центрах галактик.

Работа демонстрирует, что газодинамические эффекты необходимо учитывать при интерпретации гравитационно-волновых сигналов. Без их учета можно получить смещенные оценки параметров двойной системы, таких как массы и спины. Исследование подтверждает, что LISA, запуск которой запланирован на 2030-е годы, станет мощным инструментом для изучения активных ядер галактик.