Ученые из коллаборации LIGO, VIRGO и KAGRA впервые зафиксировали гравитационно-волновые события, указывающие на существование черных дыр второго поколения — «потомков» предыдущих слияний. Открытие позволит понять, как именно во Вселенной рождаются сверхмассивные черные дыры.
Когда две черные дыры, образованные в результате коллапса массивных звезд, сливаются, рождается новый, более «тяжелый» космический объект. Оставаясь в «родительской» среде — например, в плотном звездном скоплении, галактическом кластере или аккреционном диске вокруг сверхмассивной черной дыры (СМЧД), — новорожденная черная дыра со временем может захватить компаньона и снова вступить в процесс слияния. Именно такие повторные столкновения приводят к образованию черных дыр второго поколения.
Недавно внимание астрофизиков привлекли сразу два необычных сигнала, зафиксированных с помощью гравитационно-волновых обсерваторий LIGO, VIRGO и KAGRA. События под названием GW241011 и GW241110, зарегистрированные 11 октября и 10 ноября 2024 года, отличались от прочих особой мощностью и продолжительностью. Это указало на слияние черных дыр с необычайно высокими и асимметричными спинами — параметрами, определяющими скорость вращения ЧД.
Результаты научной работы, опубликованной в The Astrophysical Journal Letters, показали, что в первом случае (GW241011) речь шла о слиянии черных дыр с массами около 20 и 6 масс Солнца, а во втором (GW241110) — примерно 18 и 8 солнечных масс. В обеих системах зафиксировали экстремально быстрые вращения — спины составили примерно 0,8 и 0,6 по шкале от нуля до единицы, где последняя соответствует максимально возможной скорости.
Поскольку ориентация спинов не совпадала с направлением орбит (разница составила от 30 до 130 градусов), исследователи предположили, что системы возникли в хаотичных средах — например, в результате динамического захвата в плотных звездных скоплениях либо в пределах аккреционного диска СМДЧ, где взаимодействие с газом может «раскрутить» объекты до экстремальных скоростей. Таким образом, речь идет о двойных системах, в которых как минимум одна черная дыра — «потомок» предыдущего слияния.
Анализ показал, что события GW241011 и GW241110 произошли на расстоянии около 0,7 и 2,4 миллиарда световых лет от Земли, что делает их одними из наиболее удаленных зарегистрированных источников гравитационных волн. Масса объектов, сформировавшихся в результате слияний, составила примерно 26 и 33 солнечных масс соответственно.
Новорожденные черные дыры сохранили высокие скорости вращения, что особенно важно для понимания эволюции так называемых «промежуточных» или «легких» черных дыр массой 100-350 солнечных. Последние считаются переходным звеном между звездными и сверхмассивными объектами. Ранее в центре Млечного Пути нашли сразу двух кандидатов в подобные ЧД.
Хотя поиск возможных электромагнитных сигналов — например, вспышек рентгеновского или оптического излучения — не дал результатов, их отсутствие не исключает сценарий слияния в аккреционной среде: плотный газ мог поглотить большую часть излучения. Более того, новые гравитационно-волновые события не выявили отклонений от предсказаний общей теории относительности Эйнштейна. Значит, она «работает» даже в столь экстремальных условиях.
Авторы статьи отметили, что наблюдение настолько асимметричных и быстро вращающихся систем может привести к пересмотру представлений о формировании и эволюции черных дыр второго поколения. В будущем, по мере усовершенствования детекторов LIGO, VIRGO и KAGRA, ученые смогут находить больше подобных сигналов.