DOI: Nature, 2022. 10.1038/s41586-021-04333-1
Моделирование согласуется с большой массой, эксцентричными орбитами, наклоненными осями вращения GW190521.
В 2019 году коллаборация LIGO/VIRGO зарегистрировала сигнал гравитационной волны от слияния черных дыр, который оказался рекордным. Этот сигнал, названный "GW190521", был самым массивным и самым удаленным из обнаруженных до сих пор, и он произвел самый энергичный сигнал, зафиксированный до сих пор, проявившись в данных скорее как "взрыв", чем как обычное "стрекотание".
Более того, новая черная дыра, образовавшаяся в результате слияния, была примерно в 150 раз тяжелее нашего Солнца, что делает GW190521 первым прямым наблюдением черной дыры средней массы. Еще более странно то, что две слившиеся черные дыры были заперты на эллиптической (а не круговой) орбите, а их оси вращения были наклонены гораздо больше, чем обычно, по сравнению с такими орбитами.
Физики любят больше всего, когда им представляют интригующую загадку, которая не сразу вписывается в устоявшуюся теорию, и GW190521 дала им именно такую возможность. Новые теоретические моделирования показывают, что все эти странные аспекты можно объяснить присутствием третьей одиночной черной дыры, которая вмешивается в последний танец бинарной системы и создает "хаотическое танго", говорится в новой статье, опубликованной в журнале Nature.
21 мая 2019 года детекторы коллаборации зафиксировали сигнал слияния бинарных черных дыр: четыре коротких колебания длительностью менее одной десятой секунды. Чем короче сигнал, тем массивнее сливающиеся черные дыры - в данном случае 85 и 66 солнечных масс соответственно. В результате слияния черных дыр образовалась новая, еще более крупная черная дыра массой около 142 солнечных масс, излучающая при этом энергию, эквивалентную восьми солнечным массам - отсюда и мощный сигнал, зафиксированный детекторами.
Необычность этого события заключается в том, что измерение 142 солнечных масс приходится на середину так называемого "промежутка массы" для черных дыр. Большинство таких объектов делятся на две группы: черные дыры со звездной массой (от нескольких солнечных масс до десятков солнечных масс) и сверхмассивные черные дыры, подобные той, что находится в центре нашей галактики Млечный Путь (от сотен тысяч до миллиардов солнечных масс). Первые являются результатом гибели массивных звезд в результате коллапса ядра сверхновой, в то время как процесс образования вторых остается чем-то загадочным.
Тот факт, что масса одной из черных дыр-прародителей составляет 85 солнечных масс, также весьма необычен, поскольку это противоречит существующим моделям звездной эволюции. Звезды, которые могли бы породить черные дыры с массой от 65 до 135 солнечных масс, не становятся сверхновыми и, следовательно, не превращаются в черные дыры. Скорее, такие звезды станут нестабильными и сбросят значительную часть своей массы. Только тогда они станут сверхновыми - но в результате получится черная дыра с массой менее 65 солнечных масс.
Наиболее популярным объяснением среди физиков в то время было то, что GW190521 является примером так называемого "иерархического слияния", то есть две черные дыры-прародительницы сами были результатом предыдущего слияния, прежде чем они нашли друг друга и слились. Этот сценарий предполагает наличие поблизости достаточного количества других черных дыр, чтобы произошли множественные слияния.
Но доказательства не были окончательными, и физики надеялись получить дополнительные подсказки из соответствующих электромагнитных данных; Центр переходных процессов Цвикки (ZTF) обнаружил вспышку, возникшую через 35 дней после гравитационно-волнового сигнала в том же районе неба. Это также необычно, поскольку слияние черных дыр обычно не излучает свет.
Одно из возможных объяснений заключается в том, что слияние произошло не в пустом пространстве. Сверхмассивная черная дыра в центре галактики часто окружена огромным плоским вращающимся газовым диском. Маленькие черные дыры могут падать в этот диск, питаясь веществом диска и увеличиваясь в размерах. Со временем эти маленькие черные дыры сближаются друг с другом, образуя бинарные системы, которые в конечном итоге сливаются. Это соответствует предложенному сценарию иерархического слияния: наличие такого большого количества черных дыр в огромном плоском газовом диске значительно увеличивает вероятность столкновения, в результате которого образуется большая черная дыра.
Это также объясняет несколько других необычных аспектов этого слияния. Данные гравитационных волн указывают на то, что две черные дыры были заперты на сильно вытянутой эллиптической орбите, что не могло бы произойти в изолированной среде. Однако если бы эти две черные дыры попали на орбиту внутри диска, материал поглотил бы часть энергии от их движения. А если третья черная дыра вне бинарной системы окажется слишком близко, ее гравитация может дать дополнительный "толчок" системе, сдвинув их орбиты с круговых на эллиптические. По сути, это классическая проблема трех тел, хотя соавтор Хиромичи Тагава из Университета Тохоку причудливо описал ее как "хаотическое танго с тремя черными дырами, летающими вокруг".
Моделирование показало, что при таком сценарии вероятность слияния черных дыр с эксцентричными орбитами возрастает в 100 раз.
"В таких условиях типичная скорость и плотность черных дыр настолько высока, что маленькие черные дыры разлетаются, как в гигантской игре на бильярде, и широкие круговые бинары не могут существовать", - сказал соавтор Бенс Кочис из Оксфордского университета.
Как объяснил Фил Пэйт (он же Bad Astronomer) на сайте Syfy Wire, этот сценарий также объясняет необычные оси вращения двух бинарных черных дыр перед слиянием. Обычно их оси вращения направлены в одну сторону, примерно на 90 градусов от плоскости их орбит. У двух черных дыр в GW190521 оси вращения были расположены гораздо выше этого значения. Авторы предполагают, что гравитация третьей одиночной черной дыры также достаточно сильно притягивала бы пару, чтобы удерживать их вращение в одном направлении и одновременно наклонять ось.
Хотя моделирование дает увлекательное объяснение, оно все еще не окончательное.
"Люди уже много лет работают над пониманием структуры таких газовых дисков, но проблема сложна", - сказал соавтор исследования Золтан Хайман из Колумбийского университета. "Наши результаты чувствительны к тому, насколько плоским является диск и как в нем перемещаются черные дыры. Время покажет, узнаем ли мы больше об этих дисках, когда получим большую популяцию слияний черных дыр, включая более необычные случаи, подобные GW190521".
