Астрофизики нашли первые признаки того, что перед слиянием нейтронная звезда и черная дыра вращались друг вокруг друга по вытянутой орбите. Проанализировав сигнал гравитационных волн события GW200105 с помощью новой модели, учитывающей сложную динамику системы, исследователи показали, что орбита была эллиптической. Ее форма поможет понять, где и как формируются столь редкие двойные системы.
Рябь пространства-времени от слияний компактных объектов — гравитационные волны (гравиволны) — стала важнейшим источником информации о самых экстремальных событиях во Вселенной. С момента их первого обнаружения в 2015 году астрономы выявили несколько систем, состоящих из черной дыры и нейтронной звезды. Их происхождение, однако, до сих пор остается предметом споров.
Считается, что они могут формироваться двумя способами: либо как обычные двойные звездные системы, которые эволюционируют вместе и в итоге превращаются в компактные объекты, либо формируются в плотных звездных средах — например, в шаровых скоплениях, где гравитационные взаимодействия между многими объектами могут случайно «собрать» подобные пары.
Один из основных признаков, позволяющих различить оба сценария, — форма орбиты перед слиянием. Если система сформировалась из изначально связанной пары светил, орбита обычно круговая: за миллионы лет она выравнивается под действием гравиволн. В динамических средах, где объекты часто взаимодействуют друг с другом, форма орбиты может оставаться вытянутой — то есть эксцентричной — даже незадолго до слияния. Еще одним возможным индикатором происхождения этих редких систем считается прецессия орбиты, возникающая из-за вращения компактных объектов.
Исследовательская группа под руководством Гонсало Морраса (Gonzalo Morras) из Бирмингемского университета (Великобритания) проанализировала сигнал гравитационных волн от события GW200105 — одного из первых достоверных слияний черной дыры и нейтронной звезды, зарегистрированных обсерваториями LIGO и Virgo. Для этого астрофизики применили более сложную модель гравиволнового сигнала, которая одновременно учитывает орбитальную прецессию и эксцентриситет.
Затем, чтобы оценить параметры системы, ученые применили алгоритм Байеса — статистический метод для определения вероятности событий — и сравнили зарегистрированный сигнал с большим набором теоретических данных. Выяснилось, что перед слиянием орбита объектов была вытянутой: медианное значение эксцентриситета составило около 0,145 при орбитальном периоде 0,1 секунды. А вот почти круговые орбиты (с эксцентриситетом меньше 0,028) удалось исключить с вероятностью 99,5 процента.
Результаты научной работы, опубликованной на сервере препринтов Корнеллского университета, впервые убедительно указали на наличие орбитального эксцентрисистета в паре нейтронная звезда — черная дыра, которую наблюдали с помощью гравиволновых сигналов. При этом признаки орбитальной прецессии оказались не такими определенными: анализ не выявил доказательств ее наличия, хотя данные в целом согласуются с предыдущими выводами о событии GW200105. Новая модель также указала на неравное соотношение масс компонентов системы.
Открытие, судя по всему, означает, что по крайней мере часть таких двойных систем формируется не из изолированных звездных пар, а в активных средах, где сильные гравитационные взаимодействия между объектами способны создавать пары на вытянутых орбитах. По мере накопления новых данных ученые смогут точнее определить, насколько распространен такой механизм формирования двойных систем и какую роль он играет в эволюции компактных объектов на просторах Вселенной.