Сотрудники коллабораций LIGO, VIRGO и KAGRA впервые зарегистрировали гравитационные волны, свидетельствующие о наличии черных дыр второго поколения – образовавшихся в результате слияний предыдущих черных дыр. Это открытие поможет выяснить, каким образом формируются сверхмассивные черные дыры во Вселенной.
Слияние двух черных дыр, возникших вследствие гравитационного коллапса массивных звезд, порождает новый, более массивный космический объект. Оказавшись в «родной» среде – будь то плотное звездное скопление, галактический кластер или аккреционный диск вокруг сверхмассивной черной дыры (СМЧД), – новорожденная черная дыра может со временем поглотить ближайший объект и вновь войти в фазу слияния. Подобные повторные взаимодействия обуславливают формирование черных дыр второго поколения.
В последнее время астрофизиков заинтересовали два аномальных сигнала, полученных гравитационно-волновыми обсерваториями LIGO, VIRGO и KAGRA. События, получившие обозначения GW241011 и GW241110 и зарегистрированные 11 октября и 10 ноября 2024 года соответственно, выделялись своей интенсивностью и длительностью. Это свидетельствует о слиянии черных дыр, обладающих крайне высокими и неравномерными значениями спинов – характеристиками, описывающими скорость их вращения.
Результаты научной работы, опубликованной в The Astrophysical Journal Letters, анализ данных, полученных в результате наблюдений, показал, что в первом случае (GW241011) было зарегистрировано слияние черных дыр, имеющих массу около 20 и 6 солнечных масс, а во втором (GW241110) — приблизительно 18 и 8 солнечных масс. В обоих случаях зафиксированы очень высокие скорости вращения – параметры спинов составили примерно 0,8 и 0,6 по шкале, где от 0 до 1, при этом последнее значение соответствует максимально допустимой скорости.
Несовпадение ориентации спинов и направлений орбит, которое варьировалось от 30 до 130 градусов, навело исследователей на мысль, что эти системы образовались в неспокойных условиях. К примеру, они могли возникнуть вследствие динамического захвата в плотных звездных скоплениях или в аккреционном диске сверхмассивной черной дыры, где взаимодействие с газом способно привести к вращению объектов с экстремальными скоростями. Следовательно, мы говорим о двойных системах, в которых как минимум одна черная дыра является результатом предшествующего слияния.
Согласно результатам анализа, события GW241011 и GW241110 произошли на удалении приблизительно 0,7 и 2,4 миллиарда световых лет от нашей планеты, что позволяет отнести их к наиболее далёким зарегистрированным источникам гравитационных волн. Масса тел, образовавшихся в процессе слияния, составила около 26 и 33 солнечных масс.
Черные дыры, только что сформировавшиеся, демонстрируют высокую скорость вращения, что представляет собой ключевой фактор для изучения развития промежуточных или маломассивных черных дыр, имеющих массу от 100 до 350 солнечных. Эти объекты рассматриваются как звенья, соединяющие звездные и сверхмассивные черные дыры. Ранее в центре Млечного Пути нашли сразу двух кандидатов в подобные ЧД.
Несмотря на то, что попытки обнаружить электромагнитные сигналы, такие как вспышки рентгеновского или оптического излучения, оказались безрезультатными, их отсутствие не опровергает возможность слияния в аккреционной среде, поскольку плотный газ мог поглотить значительную часть излучения. К тому же, недавно зафиксированные гравитационно-волновые события не продемонстрировали отклонений от прогнозов, основанных на общей теории относительности Эйнштейна, что указывает на её применимость даже в таких экстремальных условиях.
Авторы научной работы подчеркнули, что обнаружение столь асимметричных и быстро вращающихся систем может потребовать переосмысления существующих взглядов на процессы формирования и развития черных дыр второго поколения. С улучшением характеристик детекторов LIGO, VIRGO и KAGRA, исследователи получат возможность выявлять больше подобных сигналов.