Новые данные о гравитационных волнах, полученные в ходе совместной работы LIGO-Virgo-KAGRA, свидетельствуют об открытии крупнейшего в истории слияния чёрных дыр. Это может стать доказательством существования чрезвычайно редкого типа чёрных дыр.
Художественная иллюстрация слияния двух чёрных дыр. (Изображение предоставлено: AiVreaSaStii / pixabay)
Ученые обнаружили крупнейшее из когда-либо известных слияний черных дыр — гигантское столкновение двух массивных пространственно-временных разрывов, вращающихся по спирали навстречу друг другу. Это может стать доказательством существования самого неуловимого типа черных дыр во Вселенной.
В результате слияния, произошедшего на окраине нашей Млечной Пути галактики, образовалась чёрная дыра, масса которой примерно в 225 раз превышает массу Солнца.
Это почти в два раза больше, чем у предыдущего рекордсмена, в результате столкновения которого образовалась чёрная дыра массой около 142 масс Солнца. Новое столкновение было обнаружено коллаборацией LIGO-Virgo-KAGRA (LVK) — группой из четырёх детекторов, которые выявляют катастрофические космические события по гравитационным волнам, возникающим в результате их взаимодействия. Гравитационные волны — это рябь на ткани пространства-времени, существование которой было впервые предсказано Альбертом Эйнштейном и подтверждено LIGO в 2015 году. За своё революционное открытие физики, участвовавшие в исследовании, получили Нобелевскую премию в 2017 году.
Но больше всего учёных заинтриговали массы двух чёрных дыр: примерно в 100 и 140 раз больше массы Солнца. Как и в случае с предыдущим обнаружением, чёрные дыры таких размеров попадают в «пробел в массе», что противоречит общепринятому мнению о том, как образуются разрывы пространства-времени. Исследователи представят свои выводы с 14 по 18 июля на 24-й Международной конференции по общей теории относительности и гравитации (GR24) и 16-й Конференции Эдоардо Амальди по гравитационным волнам в Глазго, Шотландия.
«Мы ожидаем, что большинство чёрных дыр образуется при смерти звёзд — если звезда достаточно массивная, она коллапсирует в чёрную дыру, — рассказал Live Science Марк Ханнэм, профессор физики Кардиффского университета в Уэльсе и участник коллаборации LVK. — Но для действительно массивных звёзд, согласно нашим теориям, коллапс нестабилен, большая часть массы выбрасывается при взрыве сверхновой, и чёрная дыра не может образоваться».
«Мы не ожидаем, что чёрные дыры будут формироваться в диапазоне от 60 до 130 масс Солнца, — добавил он. — Судя по этим наблюдениям, чёрные дыры находятся в этом диапазоне масс».
Чёрные дыры образуются в результате коллапса гигантских звёзд и растут, поглощая газ, пыль, звёзды и другие чёрные дыры. В настоящее время известные чёрные дыры делятся на две категории: чёрные дыры звёздной массы, которые в несколько раз или в несколько десятков раз массивнее Солнца; и сверхмассивные чёрные дыры, которые могут быть в 100 000 или 50 миллиардов раз массивнее Солнца.
Однако чёрные дыры, находящиеся в промежутке между этими двумя диапазонами масс, известные как чёрные дыры средней массы, физически не могут образоваться в результате прямого коллапса звезды и поэтому встречаются крайне редко. Признаки их существования тем не менее были обнаружены, что позволило астрофизикам предположить, что эти чёрные дыры образуются в результате слияния с другими чёрными дырами схожего размера.
Доказательства этого слияния были получены 23 ноября 2023 года, когда два крошечных искажения пространства-времени прошли через детекторы Лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) в Луизиане и Вашингтоне. Два детектора — каждый из них состоит из двух L-образных плеч длиной 2,5 мили (4 километра), на которых расположены два идентичных лазерных луча, — сконструированы таким образом, что при прохождении гравитационной волны через Землю лазерный луч в одном плече детектора будет сжиматься, а в другом — расширяться, что приведёт к незначительному изменению относительной длины пути лучей.
Сигнал, поступивший на детекторы, был сложным и исходил от двух быстро вращающихся чёрных дыр с высокой массой. Обычно астрономы анализируют слияние чёрных дыр, моделируя сигналы от различных типов двойных систем чёрных дыр, прежде чем сопоставить их с любым новым сигналом, который они наблюдают.
Но чтобы этот метод работал, модели должны быть точными, а уравнения Эйнштейна сложнее решить (и, следовательно, они менее точны), когда чёрные дыры быстро вращаются.
«Черные дыры в GW231123, по-видимому, сильно вращаются, и разные модели дают разные результаты, — сказал Ханнэм. — Это значит, что, хотя мы уверены в том, что черные дыры очень массивные, мы не можем измерить их массу с высокой точностью. Например, возможная масса меньшей черной дыры охватывает весь диапазон масс».
Чтобы учёные могли точнее рассчитать эти массы, эти модели необходимо усовершенствовать, что, скорее всего, потребует дополнительных наблюдений за подобными слияниями с высоким вращением.
Такие обнаружения вполне вероятны: детекторы гравитационных волн LIGO, Virgo и KAGRA зафиксировали 300 слияний с момента начала первого запуска в 2015 году, причём 200 из них были обнаружены только во время четвёртого запуска. Однако LIGO, финансируемый Национальным научным фондом, столкнулся с сокращением бюджета при администрации Трампа, из-за чего один из детекторов может быть закрыт, что сделает текущие обнаружения «почти невозможными» по словам директора объектаДэвида Рейтце.