Несмотря на всю свою огромную пустоту, Вселенная полна гравитационно-волновой активности. Эти ревербераторы, вызванные экстремальными астрофизическими явлениями , перемещаются и сотрясают ткань пространства-времени, как космический колокол.
Теперь ученые обнаружили сигнал от, возможно, самой массивной комбинации черных дыр, когда-либо наблюдавшейся в гравитационных волнах. Слияние привело к первому явному открытию черной дыры промежуточной массы с массой от 100 до 1000 раз больше массы Солнца.
Исследователи обнаружили сигнал, который они обозначили как GW190521 . Открытие было сделано 21 мая 2019 года с помощью лазерного интерферометра гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) - пары идентичных 4-километровых интерферометров в США и Virgo - 3-километрового детектора в Италии.
Сигнал, напоминающий четыре одиночных волны, очень короткий, длится менее десятой доли секунды. По данным ученых, GW190521 был испущен источником на расстоянии около 5 гигапарсек, в то время, когда Вселенная была вдвое моложе, что сделало ее одним из самых удаленных источников гравитационных волн, которые когда-либо были обнаружены.
Что касается источника этого сигнала, основанного на мощном наборе современных вычислительных и модельных инструментов, ученые считают, что GW190521, скорее всего, был создан путем объединения двух черных дыр с необычными свойствами.
Почти каждый подтвержденный до сих пор сигнал гравитационной волны исходит от двойного слияния двух черных дыр или двух нейтронных звезд. Это последнее слияние, по-видимому, является самым массивным на сегодняшний день и включает две спиралевидные черные дыры с массами около 85 и 66 солнечных.
Команда LIGO-Virgo также измерила вращение каждой черной дыры и обнаружила, что по мере того, как черные дыры вращаются все ближе и ближе, они могут вращаться вокруг своих собственных осей под углами, которые не совпадают с осью их орбиты. Неравномерное вращение черных дыр, вероятно, привело к колебанию их орбит или «прецессии», когда эти две звезды приблизились друг к другу.
Новый сигнал, вероятно, представляет собой точку, где сошлись две черные дыры. В результате синтеза образовалась еще более массивная черная дыра, примерно в 142 раза превышающая массу Солнца, и высвободилось огромное количество энергии, примерно в 8 раз превышающее массу Солнца, которое взорвалось по Вселенной в виде гравитационных волн.
Это не похоже на чириканье, как мы обычно замечаем. Это больше похоже на то, что звучит как «взрыв», и является самым мощным сигналом, который видели LIGO и Дева.
Член Девы Нельсон Кристенсен, ученый из Французского национального центра научных исследований (CNRS), говорит, сравнивая сигнал с первым обнаружением гравитационных волн LIGO в 2015 году.
Международная группа ученых, которая составляет LIGO Scientific Collaboration (LSC) и Virgo Collaboration, представила свои выводы в двух опубликованных вчера статьях. Один из них, опубликованный в Physical Review Letters, подробно описывает открытие, а другой в Astrophysical Journal Letters обсуждает физические свойства сигнала и астрофизические последствия.
И снова LIGO удивляет нас не только обнаружением черных дыр с размерами, которые трудно объяснить, но и использованием методов, которые не были специально разработаны для слияния звезд. Это очень важно, поскольку демонстрирует способность прибора обнаруживать сигналы от совершенно непредвиденных астрофизических событий. LIGO показывает, что он также может наблюдать неожиданное.
Говорит Педро Марронетти, программный директор по гравитационной физике в NSF.
Исключительно большие массы двух черных дыр, а также масса черной дыры, образовавшейся в результате столкновения, вызывают множество вопросов об их образовании.
Все наблюдаемые до сих пор черные дыры попадают в одну из двух категорий: черные дыры звездных масс, которые измеряются от нескольких масс Солнца до десятков масс Солнца и, как полагают, образуются, когда массивные звезды умирают; или сверхмассивные черные дыры, подобные той, что находится в центре галактики Млечный Путь, которые в сотни тысяч или миллиарды раз больше, чем наше Солнце.
Черная дыра массой 142 солнечной массы, образованная слиянием GW190521, находится в промежуточном диапазоне масс между звездными массами и сверхмассивными черными дырами - это первая из когда-либо обнаруженных черных дыр такого типа.
Две черные дыры, которые сформировали эту черную дыру, также кажутся уникальными по размеру. Они настолько массивны, что ученые подозревают, что одна или обе из них могли возникнуть не из коллапсирующей звезды, как в случае с большинством черных дыр звездной массы.
Согласно физике звездной эволюции, внешнее давление фотонов и газа в ядре звезды уравновешивается гравитацией, что делает звезду такой же стабильной, как Солнце. После того, как ядро массивной звезды начинает синтезировать железное ядро, оно больше не может создавать достаточное давление, чтобы удерживать внешние слои. Когда это давление больше не может уравновешивать гравитацию, звезда коллапсирует под собственной массой, и взрывается сверхновая, которая может оставить черную дыру.
Этот процесс может объяснить, как звезды 130 масс Солнца могут производить черные дыры массой до 65 масс Солнца. Но для более тяжелых звезд, как полагают, происходит явление, известное как «парная нестабильность». Когда фотоны в ядре становятся чрезвычайно энергичными, они могут трансформироваться в пару электронов и антиэлектронов. Эти пары создают меньшее давление, чем фотоны, что делает звезду нестабильной перед лицом гравитационного коллапса, и возникающий в результате взрыв достаточно силен, чтобы ничего не осталось. Даже более массивные звезды с массой более 200 солнечных масс в конечном итоге схлопнулись бы прямо в черную дыру с массой не менее 120 солнечных.
Но теперь: более тяжелая из двух черных дыр, которые породили сигнал GW190521, при массе в 85 солнечных, является первой обнаруженной паровой нестабильностью в разрыве масс.
Тот факт, что мы видим черную дыру в этом массовом разрыве, заставит многих астрофизиков почесать затылки и попытаться выяснить, как эти черные дыры образовались.
Говорит Кристенсен, директор лаборатории Артемиды в обсерватории Ниццы во Франции.
Одна из возможностей, которую исследователи рассматривают во второй статье, - это иерархическая связь, когда две черные дыры могли возникнуть в результате соединения двух меньших черных дыр, прежде чем окончательно слиться.
Это событие ставит больше вопросов, чем дает ответов. С точки зрения открытий и физики это очень увлекательно.
Говорит член LIGO Алан Вайнштейн, профессор физики Калифорнийского технологического института.
"Что-то неожиданное"
По GW190521 осталось еще много вопросов.
Когда детекторы LIGO и Virgo отслеживают гравитационные волны, проходящие через Землю, автоматические алгоритмы просматривают данные, которые они собирают, в поисках интересующих сигналов. В этих поисках можно использовать два разных метода: алгоритмы, которые выбирают определенные волновые паттерны в данных, которые могли быть получены с помощью компактных двойных схем, и более общие пакетные поиски, которые, по сути, ищут что-то необычное.
Член LIGO Сальваторе Витале, профессор физики Массачусетского технологического института, сравнивает компактный двоичный поиск с «прочесыванием данных с помощью гребенки, которая собирает вещи через определенные промежутки времени», в отличие от последовательного поиска, который является более всеобъемлющим.
В случае GW190521 это был последовательный поиск, который уловил сигнал немного более четко, открыв очень небольшой шанс того, что гравитационные волны возникли не из бинарной связи.
«Планка того, что мы открыли что-то новое, очень высока. Вот почему мы обычно используем бритву Оккама: более простое решение лучше, в данном случае это двойная черная дыра», - говорит Вайнштейн.
Но что, если бы эти гравитационные волны произвело что-то совершенно новое? Это заманчивая перспектива, и в своей статье ученые кратко рассматривают другие источники во Вселенной, которые могли создать этот сигнал. Например, возможно, гравитационные волны были испущены коллапсирующей звездой в нашей галактике. Сигнал также может исходить от космической струны, созданной сразу после того, как Вселенная расширилась в первые моменты жизни - хотя ни одна из этих экзотических возможностей не соответствует данным или бинарной связи.
С тех пор, как мы впервые включили LIGO, все, что мы определенно видели, - это столкновение черных дыр или нейтронных звезд. Это единственное событие, для которого наш анализ допускает возможность того, что событие не является таким столкновением. Хотя этот инцидент согласуется с происхождением чрезвычайно массивного слияния двойных черных дыр и альтернативные объяснения отвергаются, он раздвигает границы нашей уверенности в себе. И это потенциально делает их чрезвычайно интересными. Потому что все мы надеялись на что-то новое, нечто неожиданное, что может подорвать то, что мы уже узнали. Это событие может сделать именно это.
- говорит Вайнштейн.