С 2015 года астрофизики используют детекторы гравитационных волн, чтобы улавливать колебания в ткани пространства-времени, благодаря которым можно обнаружить столкновения гигантских масс — например, черных дыр или нейтронных звезд. Теперь ученые обнаружили новый вид столкновений, быстрый и мощный «взрыв», который может раскрыть еще больше космических секретов, согласно новому исследованию, проведенному на Лазерно-интерферометрической обсерватории гравитационных волн (LIGO) и ее европейском аналоге, Virgo.
Раскат грома по Вселенной
Этот сигнал сразу же выделился как нечто уникальное. Жужанна Марка хорошо помнит, что ночью 21 мая 2019 года детекторы уловили сигнал. Марка — одна из нескольких десятков астрофизиков, которые получают уведомления каждый раз, когда детекторы гравитационных волн засекают возможное массивное столкновение во Вселенной.
«Если событие происходит ночью, приходится просыпаться», — сказала Марка, соавтор нового исследования и астроном из Колумбийского университета. Она получает уведомления, чтобы проверить, сопровождаются ли такие столкновения резким всплеском регистраций крошечных частиц, называемых нейтрино: это позволяет отследить, в какой области космоса произошло событие. И когда она работала в ту ночь, в глубине души она уже знала, что это особенное обнаружение.
Художественное изображение столкновения черных дыр.
«Я не могла не заметить большую массу», — сказала Марка. Она помнит, как подумала: «Это потрясающе. Это очень важно. Это действительно одно из столкновений с невероятно большой массой, которое мы надеялись увидеть, но было неясно, действительно ли существуют черные дыры с настолько большой массой».
Черные дыры бывают разных размеров: так называемые звездные черные дыры, масса которых в 10-25 раз больше массы нашего Солнца, и сверхмассивные черные дыры, которые тяжелее нашей звезды в миллионы раз, чудовища, скрывающиеся в сердцах галактик, таких как наш Млечный Путь. Но астрономы подозревают, что между ними может быть что-то среднее: черные дыры промежуточной массы, которые, по данным LIGO, примерно в 100-1000 раз массивнее Солнца.
Черная дыра промежуточной массы не может образоваться так, как это делают большинство маленьких черных дыр — из-за взрывов умирающих звезд. Звезды всегда теряют материал во время этого процесса, но после того, как звезда достигает определенного размера, независимо от того, насколько больше него она вырастет, когда она взрывается, в результате все равно получается черная дыра с массой не более около 65 солнечных. Более крупные взрывающиеся звезды просто выбрасывают больше материала, в результате чего образуются черные дыры того же максимального размера, согласно данным, полученным на LIGO.
Художественное изображение процесса столкновения черных дыр, произошедшего в мае 2019 года.
И до сих пор эти теоретические объекты были неуловимы. Ученые уже наблюдали звездные черные дыры благодаря столкновениям, обнаруженным детектором LIGO. А не так давно благодаря телескопу Event Horizon мы получили фото сверхмассивной черной дыры в центре галактики M87. Но ученые ни разу не засекали промежуточные черные дыры. Этот новый взрыв представляет собой первое наблюдательное свидетельство существования такого класса объектов, поскольку расчеты показывают, что сигнал был создан, когда промежуточная черная дыра в 85 раз массивнее нашего Солнца столкнулась со звездной черной дырой, которая в 66 раз массивнее нашей звезды.
«LIGO в очередной раз удивляет нас обнаружением черных дыр, которые трудно объяснить, да еще и с использованием методов, которые не были разработаны специально для слияния звезд», — сказал Педро Марронетти, программный директор по гравитационной физике Национального научного фонда, который финансирует детекторы LIGO. «Это имеет огромное значение, поскольку демонстрирует способность инструментов обнаруживать сигналы от совершенно непредвиденных астрофизических событий», — сказал он. «LIGO показывает, что он также может наблюдать невероятное».
Новое поколение черных дыр или что-то более экзотическое?
Как обычно, когда речь заходит о гравитационных волнах, ученым приходится строить свои гипотезы на основе скудной информации, которую они смогли расшифровать из наблюдений. В случае кандидата на гравитационную волну GW190521 сигнал был намного короче, чем предыдущие обнаружения LIGO, и длился всего одну десятую секунды. Кроме того, он имел гораздо более низкую частоту, чем сигналы, производимые предыдущими слияниями черных дыр. Ученые также могли проследить сигнал до определенной части неба.
Исходя из этой информации, астрофизики смогли вычислить расстояние, на котором произошло столкновение — в данном случае около 7 миллиардов световых лет. Ученые также смогли высчитать массу двух столкнувшихся объектов, в данном случае в 85 и 66 раз превышающих массу нашего Солнца, и полученного объекта, примерно в 142 раза превышающего массу Солнца (нужно понимать, что во время столкновения некоторая масса теряется в виде энергии гравитационных волн).
На диаграмме показаны столкновения черных дыр и нейтронных звезд, обнаруженные на сегодняшний день. GW190521 расположен в центре вверху и произвел самую массивную черную дыру из всех.
Из-за ограничений на массу черных дыр, рожденных умирающими звездами, начальные массы сталкивающихся объектов предполагают, что по крайней мере большая из этих черных дыр — а, возможно, и меньшая — сами могли быть результатами столкновения двух черных дыр. «Две черные дыры сливаются, образуя новую черную дыру… затем они снова сливаются», — сказала Марка. «Это может произойти только в очень плотной среде, где много черных дыр».
Она надеется, что столкновение произошло вблизи активного галактического ядра, массивного темпераментного объекта в центре галактики, который благодаря своей мощной гравитации может заякорить другие объекты поблизости, хотя ученые не до конца уверены, что это соответствует истории GW190521, учитывая данные, которые у них есть об этом столкновении.
Кроме того, обнаружение большего количества сливающихся черных дыр промежуточной массы может решить старую загадку об их более крупных родственниках, сверхмассивных черных дырах, происхождение которых ученые не могут объяснить. «Это слоны с массой в миллион солнечных масс в комнате», — сказал Кристофер Берри, астрофизик из Северо-Западного университета и исследователь LIGO. «Они вырастают из звездных черных дыр, которые рождаются при коллапсе звезды, или они рождаются неизвестным способом? Мы долго искали черную дыру промежуточной массы, чтобы преодолеть разрыв между звездными и сверхмассивными черными дырами. Теперь у нас есть доказательство того, что черные дыры промежуточной массы действительно существуют».
Визуализация моделирования столкновения черных дыр, произошедшего в мае 2019 года.
Несмотря на волнение ученых по поводу сигнала и возможности того, что они засекли черную дыру промежуточной массы, они не могут быть уверены, что их текущая гипотеза верна. Хотя слияние двух черных дыр лучше всего соответствует полученным данным, астрофизики рассматривают и более экзотические объяснения.
«А что, если эти гравитационные волны возникли из-за чего-то совершенно нового?», — говорит Вики Калогера, другой специалист из Северо-Западного университета, работающий в LIGO. «Это заманчивая перспектива». Она добавила, что современные гипотезы о причине сигнала включают коллапс сверхмассивной звезды Млечного Пути или древней космической струны.
Временное затишье
Прямо сейчас детекторы LIGO и Virgo отключены, вынужденные закрыться в конце марта из-за пандемии коронавируса, все еще бушующей на Земле. Но астрофизики планируют усовершенствовать детекторы и их алгоритмы, а затем вернуться к прослушиванию Вселенной. Оба типа обновлений будут иметь решающее значение для обнаружения большего количества сигналов, таких как GW190521. Повышение чувствительности самих детекторов позволит улавливать более отдаленные сигналы, а точная настройка алгоритмов обработки данных позволит ученым легче идентифицировать более короткие сигналы, подобные этому.
Столкновения черных дыр создают рябь в пространстве-времени, меняя расстояние между объектами, и очень точные приборы на Земле могут засечь эти изменения и выяснить, что их вызвало.
Гонсалес считает, что обнаружение сигнала от слияния черных дыр, которые сами родились в результате столкновений, является хорошим знаком для обнаружения большого количества таких сигналов. «Я надеюсь, что это означает, что существует гораздо больше черных дыр — возможно, целые скопления черных дыр, которые, поскольку они сгруппированы вместе, чаще сливаются», — сказала она. «Я надеюсь, что эти скопления большие, и они находятся во многих и многих местах, так что мы сможем находить больше черных дыр».
Но она подчеркивает, что теперь наступил черед теоретиков. «Природа делает то, что делает, и мы не можем указывать природе, что делать», — сказала Гонсалес. «Мы берем данные и делаем открытия, и позволяем астрофизикам-теоретикам размышлять и изобретать новые теории о том, что могло породить эти большие черные дыры».
