Ученые обнаружили сигнал от самого мощного и далекого столкновения черных дыр из когда-либо наблюдавшихся в гравитационных волнах. В результате слияния образовалась черная дыра, в 142 раза превышающая массу нашего Солнца, что сделало ее первым прямым свидетельством обнаружения черной дыры промежуточной массы.
Далекий сигнал был зафиксирован с помощью гравитационно-волновых детекторов LIGO и Virgo. Описание исследования, касающегося открытия, было опубликовано в двух журналах - Astrophysical Journal Letters и Physical Review Letters.
Черная дыра средней массы
Это открытие не только самого мощного, но и самого далекого слияния черных дыр. Эти черные дыры объединились, когда Вселенная была вдвое моложе, чем сегодня. Столкновение произошло семь миллиардов лет назад.
Черная дыра, примерно в 85 раз превышающая массу нашего Солнца, слилась со второй черной дырой, примерно в 66 раз превышающей массу нашего Солнца. В результате образовалась черная дыра, которая примерно в 142 раза больше массы нашего Солнца. Недостающее вещество, масса которого примерно в девять раз превышает массу Солнца, во время столкновения превратилось в энергию, сотрясая Вселенную так сильно, что на Земле смогли обнаружить столкновение.
Это подтверждается существованием черных дыр промежуточной массы, то есть в 100-1000 раз больше массы нашего Солнца, объектов, гораздо более массивных, чем типичная звезда, но не таких больших, как сверхмассивные черные дыры, населяющие центры галактик.
«Все в этом открытии ошеломляет», - говорит Саймон Портеджис Цварт, астрофизик из Лейденского университета в Нидерландах. Илья Мандель из Университета Монаш в Мельбурне, Австралия, назвал открытие «удивительно неожиданным». В свою очередь, Нельсон Кристенсен, член исследовательской группы Virgo, добавил: «Этот сигнал не выглядел как чириканье, которое мы обычно обнаруживаем. Это было больше похоже на взрыв, и это самый мощный сигнал, записанный LIGO и Virgo.
Разрыв в массах
По свойствам гравитационных волн астрофизики могут оценить размер и другие характеристики объектов, которые их создали. Первое обнаружение гравитационных волн произошло в сентябре 2015 года, хотя об открытии было объявлено только в феврале 2016 года из-за времени, необходимого для анализа данных и проверки того, что это действительно гравитационные волны. Эта рябь в структуре пространства-времени может выявить такие события, как слияние черных дыр, которые обычно не наблюдаются в обычные телескопы.
Это произвело революцию в изучении черных дыр, предоставив прямые доказательства существования десятков объектов массой от нескольких до примерно 50 масс Солнца.
Эти массы соответствуют черным дырам, которые образовались «традиционным способом» - когда у очень большой звезды заканчивается топливо и она коллапсирует под собственным весом. Давление фотонов внутри звезды уравновешивается ее гравитацией. Это делает звезду стабильной. Когда топливо заканчивается, звезда не может создать давление и больше не уравновешивает гравитационные силы. Потом дело доходит до коллапса.
Но эта теория утверждает, что коллапс звезд не должен вызывать появление черных дыр с массой от 65 до 120 масс Солнца. Это связано с тем, что в конце своей жизни звезды определенного диапазона размеров становятся настолько горячими в своих центрах, что начинают преобразовывать фотоны в пары частиц и античастиц - явление, известное как парная нестабильность. Это вызывает взрыв, который разрывает звезду на части и полностью разрушает ее.
GW190521
Новое столкновение было обнаружено 21 мая 2019 года детекторами LIGO в США и Virgo в Италии. Зарегистрированный сигнал получил название GW190521 с момента его обнаружения. Сигнал был очень коротким. Это длилось меньше десятой доли секунды.
Объясняя свои наблюдения, исследователи рассмотрели ряд возможностей, в том числе тот факт, что черные дыры существовали с незапамятных времен. На протяжении десятилетий ученые предполагали, что такие «изначальные» черные дыры могут спонтанно образовывать широкий диапазон размеров вскоре после Большого взрыва.
Основной сценарий, рассмотренный командой, заключался в том, что черные дыры стали такими большими, потому что они сами были результатом предыдущих связей с другими черными дырами. Черные дыры, созданные коллапсировавшими звездами, могут сливаться несколько раз.
Ученые подсчитали, что оба объекта имели массу около 85 и 66 солнечных масс. Это указывает на то, что одна из этих черных дыр также находилась в диапазоне масс, указывающих на черную дыру средней массы.
Результаты анализа сигналов вызывают больше вопросов, чем дают ответов. Возможно, недостаточно понимания образования черных дыр. Другая возможность состоит в том, что источником зарегистрированного сигнала было столкновение не двух черных дыр, а других объектов.
Источник: Nature