Гравитационный телескоп впервые зарегистрировал слияние черных дыр промежуточных масс

Еще в первой половине прошлого века физики пришли к выводу, что при движении с переменным ускорением тела испускают гравитационные волны, теряя при этом массу. Эйнштейн пришел к выводу (с которым многие физики не согласны до сих пор), что сами гравитационные волны при этом массы не имеют, то есть их излучение означает временное уменьшение массы Вселенной.

Лишь в 2015 году удалось запустить LIGO — систему интерферометров, измеряющих скорость прохождения световых волн на длинных участках достаточно точно, чтобы обнаружить гравиволну. Это возможно за счет того, что при распространении в пространстве-времени такая волна слегка искажает его, то есть в момент прохождения между двумя точками на мгновение меняет расстояние между ними. За первую регистрацию гравитационной волны этой системой дали Нобелевскую премию по физике 2017 года.

Несмотря на огромную чувствительность LIGO, работающего в сочетании с Virgo и Kamioka, пока они могут регистрировать гравиволны лишь от слияния действительно массивных объектов — черных дыр и нейтронных звезд. Прежде чем слиться, они вращаются друг вокруг друга, обеспечивая то самое переменное ускорение, что порождает гравиволны. До сих пор гравитационной астрономии удалось зарегистрировать лишь около 300 таких событий.

Теперь астрономы представили на 24-м Международном конгрессе по общей относительности и гравитации в Глазго (Великобритания) данные по крупнейшему из зафиксированных ими слияний — событию GW231123. Текст научной работы об этом опубликовали на сервере препринтов Корнеллского университета.

Само событие зарегистрировали в ноябре 2023 года, однако его интерпретация заняла больше времени, чем обычно. Причиной стала необычность сигнала. С одной стороны, он указывал на слияние двух ЧД с массами примерно 137 и 103 солнечных. Итоговая ЧД имела массу в 225 солнечных, остальные полтора десятка солнечных масс ушли с гравитационными волнами. Расстояние до источника определить получилось лишь весьма примерно — в диапазоне от 2,28 до 13,37 миллиарда световых лет. Возраст события — около 9,46 миллиарда лет (z=0,39).

Что особенно необычно, оба объекта перед слиянием имели очень высокую скорость вращения, в 0,90 и 0,80 от максимально возможных (теоретический максимум — 1,0). Такая скорость ведет к значительно более сложной картине гравиволн, поскольку орбита ЧД, крутящихся с такой скоростью, будет неизбежно «подрагивать» перед слиянием.

«Это самая массивная пара черных дыр, что мы наблюдали с помощью гравитационных волн. И она вызов нашему пониманию формирования черных дыр: настолько массивные ЧД не могут появиться через стандартную звездную эволюцию», — отметил один из участников коллаборации, работающей с LIGO, Марк Ханнам (Mark Hannam)

Речь о том, что обычные черные дыры по массе близки к массивным звездам, из которых они и образуются при взрыве сверхновой, сжимающей внутренние части звезды до плотности, делающей ее ЧД. Есть еще намного более «тяжелые» сверхмассивные черные дыры (СМЧД) в центрах галактик, но ясно, что они образуются по другому сценарию.

Черные дыры промежуточных масс, то есть от сотни до сотни тысяч масс Солнца, не могут образоваться ни в результате взрывного коллапса звезды, ни за счет процессов, порождающих СМЧД. Как именно они образуются — все еще не очень понятно, откуда и оговорка Ханнама.

В то же время как раз наблюдение LIGO может дать интересную подсказку в этом отношении. Черные дыры, образующиеся при коллапсе звезды, не должны быстро вращаться, тем более настолько быстро, как эта пара. Но после слияния пары ЧД их угловой момент сохраняется, то есть итоговая черная дыра, которая по массе меньше своих «родителей», из-за потери массы на гравиволны, вращается существенно быстрее, чем любая из «родителей». При каждом следующем слиянии скорость вращения может подниматься.

Таким образом, наиболее вероятный сценарий появления обеих черных дыр промежуточных масс, что впервые зарегистрировал LIGO, — серия слияний черных дыр обычных, звездных, масс. Постепенно продукты слияния становились все массивнее и все быстрее вращались. А та ЧД, что получилась в результате их слияния, может вращаться еще быстрее, ближе к теоретическому пределу.

Ранее Naked Science писал о роли открытия гравитационных волн от слияний ЧД в современной космологии: российский физик Николай Горькавый предложил космологическую модель, в рамках которой именно испускание этих волн запускает Большой взрыв и в конечном счете отвечает за феномен так называемой темной энергии. Источник материала и фото: "Naked Science"