Впервые учёным удалось измерить «отдачу» — скорость и направление движения — чёрной дыры, образовавшейся после столкновения двух других чёрных дыр. Это стало возможным благодаря анализу гравитационных волн от события GW190412, зарегистрированного в 2019 году. Астрономы определили, что асимметрия столкновения придала новой чёрной дыре скорость, превышающую 50 километров в секунду.
«Это один из немногих феноменов в астрофизике, где мы не просто что-то обнаруживаем, а реконструируем полное трёхмерное движение объекта, находящегося за миллиарды световых лет, используя лишь рябь в пространстве-времени», — говорит астрофизик Коустав Чандра из Пенсильванского государственного университета. «Это замечательная демонстрация возможностей гравитационных волн».
За прошедшие 10 лет с момента первого обнаружения гравитационных волн детекторы LIGO, Virgo и KAGRA зафиксировали сотни столкновений чёрных дыр. Гравитационные волны подобны ряби на воде, только «вода» — это пространство-время. При сближении двух чёрных дыр их взаимодействующие гравитационные поля искажают пространство-время, порождая волны, распространяющиеся со скоростью света. Столкновение и слияние чёрных дыр сопровождается мощным гравитационным импульсом, образуя единый объект. Учёные могут расшифровать эти волны, чтобы изучить свойства чёрных дыр, включая массу и вращение каждого из двух исходных объектов, а также массу образовавшейся чёрной дыры.
«Слияние чёрных дыр можно представить как суперпозицию различных сигналов, подобно оркестровой музыке, состоящей из звучания многих инструментов», — поясняет астрофизик Хуан Калдерон-Бустильо из Университета Сантьяго-де-Компостела в Испании. «Однако этот оркестр особенный: слушатели, находящиеся в разных позициях вокруг него, будут записывать разные сочетания инструментов, что позволит им понять, где именно они находятся относительно него».
Одним из самых впечатляющих последствий таких событий, как взрыв сверхновой или слияние чёрных дыр, является так называемый «натальный пинок» (natal kick). Если событие асимметрично — например, сверхновая мощнее с одной стороны, или массы двух чёрных дыр сильно различаются — энергия передаётся неравномерно, придавая новой чёрной дыре сильный импульс в одном направлении.
В апреле 2019 года коллаборация LIGO-Virgo зафиксировала столкновение двух чёрных дыр с сильно различающимися массами: 29,7 и 8,4 солнечных масс. Небольшая масса результирующей чёрной дыры привела к более длительному сигналу, предоставив учёным обширный объём данных. Используя разработанный ранее метод анализа, учёные определили угол и скорость выброса новой чёрной дыры. Скорость оказалась достаточно высокой, чтобы выбросить её из шарового звёздного скопления.
Хотя слияние произошло на расстоянии 2,4 миллиарда световых лет, и разрешение современных инструментов недостаточно для наблюдения шарового скопления на таком расстоянии, если чёрная дыра находилась в нём, то, вероятно, она покинула его.
Эта методика, по словам авторов работы, может стать мощным инструментом для исследования слияний чёрных дыр. «Слияния чёрных дыр в плотных средах могут приводить к обнаруживаемым электромагнитным сигналам — вспышкам — по мере прохождения остаточной чёрной дыры через плотную среду, например, активное галактическое ядро», — говорит астрофизик Самсон Леонг из Китайского университета Гонконга. «Поскольку видимость вспышки зависит от ориентации отдачи относительно Земли, измерение отдачи позволит нам отличать истинную пару гравитационно-волнового и электромагнитного сигналов от случайного совпадения».