Гравитационно-волновые детекторы LIGO и Virgo, а также Kamioka, зафиксировали сигналы от слияния наиболее массивной из известных пар черных дыр. Масса слившихся черных дыр превышает значения, обычно наблюдаемые при звездной эволюции, а их вращение близко к теоретическому максимуму.
В первой половине прошлого века физики установили, что тела, подверженные ускоренному движению, излучают гравитационные волны и теряют массу. Эйнштейн выдвинул гипотезу (которая до сих пор вызывает споры среди физиков), согласно которой сами гравитационные волны не обладают массой, а их излучение приводит к кратковременному уменьшению массы Вселенной.
Система интерферометров LIGO была запущена лишь в 2015 году, поскольку требовала высокой точности измерения скорости распространения световых волн на значительных расстояниях для обнаружения гравитационных волн. Причина этого в том, что гравитационная волна, распространяясь в пространстве-времени, вызывает его незначительное искажение, что приводит к кратковременному изменению расстояния между двумя точками. За первую зарегистрированную гравитационную волну, зафиксированную этой системой, в 2017 году была присуждена Нобелевская премия по физике.
Благодаря высокой чувствительности LIGO, совместно с Virgo и Kamioka, на данный момент регистрируются гравитационные волны только от слияния очень массивных объектов, таких как черные дыры и нейтронные звезды. Перед тем, как объединиться, эти объекты вращаются вокруг друг друга, создавая переменное ускорение, которое и является источником гравитационных волн. На сегодняшний день гравитационная астрономия зафиксировала около 300 подобных событий.
На 24-м Международном конгрессе по общей относительности и гравитации, проходившем в Глазго (Великобритания), астрономы поделились результатами наблюдений за крупнейшим зарегистрированным ими слиянием — событием GW231123. Описание этого явления представлено в научной работе опубликовали на сервере препринтов Корнеллского университета.
Событие было зарегистрировано в ноябре 2023 года, однако его интерпретация потребовала больше времени, чем обычно. Необычный характер сигнала стал причиной задержки. С одной стороны, он свидетельствовал о слиянии двух чёрных дыр с массами примерно в 137 и 103 солнечных. В результате слияния образовалась чёрная дыра с массой в 225 солнечных, а около полутора десятков солнечных масс были излучены в виде гравитационных волн. Оценить время прохождения гравитационных волн до Земли удалось лишь приблизительно — в диапазоне от 2,28 до 13,37 миллиарда лет. Возраст события оценивается в 9,46 миллиарда лет (z=0,39).
Оба объекта демонстрировали исключительно высокую скорость вращения до слияния, достигая 0,90 и 0,80 от теоретического максимума (1,0). Это привело к усложнению картины гравитационных волн, поскольку орбита черных дыр, вращающихся с такой скоростью, перед слиянием будет испытывать заметные колебания.
«Обнаруженная пара черных дыр является самой массивной из когда-либо зафиксированных гравитационными волнами. Ее существование ставит под сомнение существующие представления о формировании черных дыр, поскольку объекты такого размера не могли образоваться в результате обычной эволюции звезд», — заявил Марк Ханнам, один из ученых, работающих с LIGO)
Обычные черные дыры по массе сопоставимы с массивными звездами, из которых они возникают в результате взрывов сверхновых. При этом внутренние слои звезды сжимаются до такой высокой плотности, что формируется черная дыра. Помимо них, существуют гораздо более массивные сверхмассивные черные дыры (СМЧД), расположенные в центрах галактик, но очевидно, что их формирование происходит иным способом.
Черные дыры промежуточных масс, объекты с массой от сотни до сотни тысяч масс Солнца не могут возникнуть в результате взрывного коллапса звезды или в процессе формирования сверхмассивных черных дыр. Механизм их образования остается неясным, что и отмечал Ханнам.
Вместе с тем, наблюдения LIGO могут предоставить ценную информацию по этому вопросу. Черные дыры, возникающие в результате коллапса звезды, не должны обладать высокой скоростью вращения, особенно такой, как у этой пары. Однако после слияния черных дыр их угловой момент сохраняется, что означает, что результирующая черная дыра, масса которой меньше масс исходных объектов, из-за потери массы в виде гравитационных волн, вращается значительно быстрее, чем любая из них. С каждым последующим слиянием скорость вращения может возрастать.
Вероятнее всего, обнаруженные LIGO черные дыры промежуточных масс возникли в результате последовательного слияния черных дыр звездных масс. В ходе этих слияний масса образующихся объектов неуклонно возрастала, а скорость их вращения увеличивалась. В результате финального слияния могла сформироваться черная дыра, вращающаяся с максимальной, близкой к теоретической, скоростью.
Ранее о роли открытия гравитационных волн от слияний чёрных дыр и их значении для современной космологии писал Николай Горькавый, российский физик, в своей статье для Naked Science предложил космологическую модель, в рамках которой именно испускание этих волн запускает Большой взрыв и в конечном счете отвечает за феномен так называемой темной энергии.