Расширяя границы пространства параметров
В предыдущей части был рассказ о публикации каталога GWTC-4, удвоившего число известных гравитационных волн. Сегодня мы погрузимся в сам процесс формирования этих сигналов и рассмотрим чёрные дыры с нетипичными массами и скоростями вращения, обнаруженные физиками.
Ссылка на Часть 1. Ссылка на часть 3.
Чёрные дыры образуются, когда ядро массивной умирающей звезды, исчерпав термоядерное топливо, коллапсирует под действием собственной гравитации в бесконечно плотную точку, называемую сингулярностью. Как следствие, эти дыры считаются одними из самых плотных объектов во Вселенной. Зачастую чёрные дыры формируются в парах звёзд, связанных взаимным гравитационным притяжением. По мере того как они вращаются по спирали, постепенно сближаясь друг с другом, система теряет орбитальную энергию, излучая её в виде интенсивных гравитационных волн, после чего объекты сливаются в единую, более массивную чёрную дыру.
Именно бинарная система чёрных дыр стала источником самого первого гравитационно-волнового сигнала, зарегистрированного обсерваториями LIGO в 2015 году. Такие системы остаются основным источником большинства фиксируемых волн. Подобные двойные системы обычно состоят из двух чёрных дыр сопоставимого размера, а их масса, как правило, составляет несколько десятков масс Солнца.
Однако гравитационные волны могут генерироваться и при столкновении чёрной дыры с нейтронной звездой, являющейся сверхплотным ядром, оставшимся после взрыва сверхновой. Если слияние двух чёрных дыр не производит электромагнитного излучения, то катастрофа с участием нейтронной звезды может сопровождаться мощной вспышкой света, давая астрономам возможность изучить событие в разных диапазонах электромагнитного спектра. За первые три сеанса наблюдений обсерватории LVK зафиксировали несколько таких смешанных систем, а также два столкновения между двумя нейтронными звёздами.
Новые объекты, опубликованные в каталоге GWTC-4, демонстрируют значительное разнообразие двойных систем. Помимо классических пар чёрных дыр, обновленный реестр включает:
- самую тяжёлую из известных двойных чёрных дыр;
- систему с экстремально асимметричным соотношением масс;
- пару, где оба объекта обладают исключительно высоким собственным вращением (спином).
В каталог также вошли два новых слияния чёрной дыры и нейтронной звезды.
"Главный вывод из этой работы заключается в следующем: мы проникаем в новые области так называемого "пространства параметров" и наблюдаем совершенно новые типы чёрных дыр", - объясняет соавтор исследования Дэниел Уильямс (Daniel Williams), научный сотрудник Университета Глазго и член LVK. "Мы действительно расширяем границы возможного, фиксируя объекты более массивные, вращающиеся с большими скоростями и представляющие собой нетипичные астрофизические явления".
Природа необычных сигналов
Обсерватории LIGO, Virgo и KAGRA регистрируют гравитационные волны с помощью L-образных вакуумных установок километрового масштаба, называемых интерферометрами. Лазерный луч разделяется и направляется вдоль двух перпендикулярных тоннелей, после чего учёные с высочайшей точностью измеряют время возвращения каждого луча. Любое микроскопическое расхождение во времени (фазовый сдвиг) указывает на то, что проходящая гравитационная волна слегка растянула одно плечо интерферометра и сжала другое.
В течение первой фазы четвертого сеанса регистрация сигналов осуществлялась исключительно двумя идентичными интерферометрами LIGO, расположенными в Хэнфорде (штат Вашингтон) и Ливингстоне (штат Луизиана). Недавняя техническая модернизация позволила детекторам искать сигналы от двойных нейтронных звёзд на расстоянии до 360 мегапарсек (около 1 миллиарда световых лет), а от двойных чёрных дыр в десятки раз дальше.
"Невозможно предсказать, когда гравитационная волна достигнет детектора, - говорит соавтор исследования Аманда Бэйлор (Amanda Baylor) из Университета Висконсина в Милуоки. - Мы можем получить пять сигналов за один день, а можем один за 20 дней. Процессы во Вселенной носят сугубо случайный характер".
Среди наиболее примечательных сигналов выделяется GW231123_135430, который обозначает самую тяжёлую бинарную систему чёрных дыр, из всех обнаруженных на сегодняшний день. По оценкам физиков, каждая из столкнувшихся чёрных дыр имела массу около 130 масс Солнца (в то время как масса типичной сливающейся чёрной дыры обычно составляет около 30 солнечных). Столь внушительные параметры указывают на то, что эти объекты сами могли образоваться в результате предыдущих слияний менее массивных чёрных дыр-прародителей.
Еще один нетипичный сигнал - GW231028_153006. В этой системе обе чёрные дыры обладают рекордным вращением и находятся на стадии сближения. Скорость их собственного вращения достигает сорока процентов от скорости света в вакууме. Предполагается, что эти объекты также являются результатом более ранних слияний, которые придали им такой мощный вращательный импульс.
Также был зафиксирован сигнал GW231118_005626, исходящий от системы с сильной асимметрией масс. Здесь одна чёрная дыра вдвое массивнее своей компаньонки.
"Одной из самых поразительных черт нашей выборки является широкий разброс физических свойств, - отмечает Джек Хайнцель (Jack Heinzel), аспирант MIT и соавтор анализа. - Одни объекты превышают массу Солнца более чем в 100 раз, другие массивнее его всего в несколько раз. Некоторые вращаются с колоссальными скоростями, у других спин практически не измеряется. Мы до сих пор не до конца понимаем механизмы формирования чёрных дыр во Вселенной, но новые наблюдения дают нам важнейший ключ к разгадке".
***
В заключительной третьей части мы выясним, как новые данные позволили физикам провести самую строгую проверку теории Альберта Эйнштейна и как гравитационные волны помогают измерить скорость расширения самой Вселенной.