Обсерватории LIGO и Virgo зафиксировали самый мощный сигнал гравитационных волн, регистрировавшийся до сегодняшнего дня. Источником события стали две черные дыры, слившиеся воедино и породившие еще большего гравитационного монстра, при этом энергия, высвободившаяся при столкновении, эквивалентна 8 массам Солнца. Результаты наблюдений и выводы ученых опубликованы в двух исследованиях в журналах Physical Review Letters и Astrophysical Journal Letters.
«Это было не щебетанием, которое мы обычно обнаруживаем, а настоящим «взрывом». Это самый мощный сигнал, который видели Virgo и LIGO», – рассказывает Нельсон Кристенсен, ученый команды Virgo из Французского национального центра научных исследований (CNRS).
Несмотря на кажущуюся бесконечную пустоту, Вселенная гудит от активности гравитационных волн. Эти колебания, вызванные самыми экстремальными астрофизическими явлениями, сотрясают ткань пространства-времени, подобно звону космического колокола.
Сигнал от одного из таких событий, получивший обозначение GW190521, был пойман 21 мая 2019 года. Он имел очень короткую продолжительность, менее одной десятой секунды, и пришел к нам с расстояния примерно в 5 гигапарсек, что делает его одним из самых далеких источников гравитационных волн, обнаруженных до сих пор.
Касаемо объектов, породивших гравитационные волны, то на основе мощного набора современных вычислительных инструментов и моделирования ученые выяснили, что GW190521, скорее всего, был создан в результате слияния пары черных дыр с необычными свойствами.
«На сегодняшний день почти каждый подтвержденный сигнал гравитационных волн был получен в результате слияния двух черных дыр или двух нейтронных звезд. Это событие, по-видимому, является самым «массивным» на сегодняшний день, в нем участвуют две вращающиеся черные дыры, которые примерно в 85 и 66 раз «тяжелее» Солнца», – рассказывают участники наблюдений.
Команды LIGO и Virgo смогли измерить спин каждой черной дыры и обнаружили, что по мере приближения друг к другу наклон оси их собственного вращения изменялся, приводя к прецессии их орбит.
По расчетам ученым, в результате слияния образовалась черная дыра с массой около 142 солнечных, и высвободилось огромное количество энергии, которое распространилось по Вселенной в виде гравитационных волн.
В разрыве масс
Уникально большие массы двух черных дыр, а также результат их слияния поднимают множество вопросов относительно образования таких объектов.
Все черные дыры, наблюдаемые на сегодняшний день, попадают под одну из двух категорий: черные дыры звездных масс, которые «весят» в несколько раз – десятков раз больше Солнца и, как считается, образуются при смерти массивных звезд; или сверхмассивные черные дыры, такие как расположенная в центре Млечного Пути.
Однако черная дыра с массой 142 солнечных, образованная в результате слияния GW190521, находится в промежуточном диапазоне между этими двумя классами объектов – первая из когда-либо обнаруженных в своем роде.
Две черные дыры-прародительницы также кажутся уникальными по своим параметрам. Они настолько массивны (66 и 85 масс Солнца), что одна или обе из них, возможно, не образовались из коллапсирующей звезды, как большинство черных дыр звездной массы.
Согласно физике звездной эволюции, на протяжении большего времени жизни звезды давление фотонов и газа в ее ядре позволяет ей противостоять гравитации, толкающей ее к «схлопыванию». Но после того, как ядро массивного светила начинает производить тяжелые элементы, оно больше не может создавать достаточное давление, чтобы поддерживать внешние слои. Это приводит к коллапсу звезды во взрыве, называемом сверхновой, который при определенных условиях оставляет после себя черную дыру.
Этот процесс может объяснить, как звезды с массой 130 солнечных могут образовывать черные дыры массой до 65 солнечных. Но для более «тяжелых» объектов возникает явление, известное как «парная нестабильность», и коллапсирующая звезда не должна образовывать черную дыру с массой от 65 до 120 солнечных – диапазон, известный как «разрыв масс парной нестабильности».
«Тот факт, что мы видим черную дыру в этом разрыве, заставит астрофизиков задуматься и попытаться выяснить, как возникли эти объекты», – говорит Нельсон Кристенсен, директор лаборатории Артемиды в Обсерватории Ниццы во Франции.
Одна из возможностей – это иерархическое слияние, при котором две исходные черные дыры сами могли образоваться в результате слияния двух меньших черных дыр, а затем мигрировать и в конечном итоге встретиться друг с другом.
«GW190521 поднимает больше вопросов, чем дает ответов. С точки зрения открытий и физики – это очень захватывающее событие», – заключил Алан Вайнштейн, ученый команды LIGO из Калифорнийского технологического института (США).
