Астрофизики получили первые свидетельства того, что перед объединением нейтронная звезда и черная дыра двигались по вытянутой орбите, вращаясь вокруг друг друга. Новая модель, использованная для анализа сигнала гравитационных волн события GW200105 и учитывающая сложную динамику системы, позволила исследователям установить, что орбита имела эллиптическую форму. Изучение ее параметров должно прояснить вопросы о формировании столь необычных двойных систем и местах их возникновения.
Гравитационные волны, возникающие при столкновении плотных объектов и являющиеся искажениями пространства-времени, стали ключевым источником сведений об наиболее экстремальных процессах, происходящих во Вселенной. С тех пор как они были впервые зарегистрированы в 2015 году, ученые-астрономы обнаружили ряд систем, включающих черные дыры и нейтронные звезды. Однако их происхождение до настоящего времени вызывает дискуссии.
Существует предположение, что они возникают двумя путями: либо как стандартные двойные звёздные системы, совместно развивающиеся и трансформирующиеся в компактные объекты, либо формируются в областях с высокой плотностью звёзд, таких как шаровые скопления. В последних гравитационные взаимодействия между многочисленными звёздами могут привести к случайному образованию подобных пар.
Ключевое различие между двумя сценариями заключается в форме орбиты до слияния. Если система возникла из изначально связанной пары звёзд, орбита, как правило, имеет форму круга: гравитационные волны выравнивают её на протяжении миллионов лет. Однако в динамичных средах, где объекты часто влияют друг на друга, форма орбиты может оставаться вытянутой, то есть эксцентричной, даже непосредственно перед слиянием. Другим вероятным признаком, позволяющим определить происхождение этих необычных систем, является прецессия орбиты, возникающая из-за вращения компактных объектов.
Астрофизики из Бирмингемского университета под руководством Гонсало Морраса (Gonzalo Morras) провели анализ сигнала гравитационных волн, полученного от события GW200105 — одного из первых подтвержденных слияний черной дыры и нейтронной звезды, зафиксированного обсерваториями LIGO и Virgo. В процессе исследования ученые использовали усовершенствованную модель гравиволнового сигнала, которая позволяет одновременно учитывать орбитальную прецессию и эксцентриситет.
Для оценки характеристик системы исследователи использовали алгоритм Байеса – статистический подход, позволяющий вычислить вероятность наступления событий. Полученный сигнал был сопоставлен с обширным массивом теоретических данных. Анализ показал, что до сближения объектов их орбиты имели вытянутую форму: медианное значение эксцентриситета составило приблизительно 0,145 при орбитальном периоде в 0,1 секунды. Почти круговые орбиты (с эксцентриситетом менее 0,028) были исключены с уверенностью в 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.
По всей видимости, это открытие указывает на то, что некоторые двойные звездные системы формируются не из отдельных звездных пар, а в динамичных средах. В таких условиях сильные гравитационные взаимодействия между небесными телами способны создавать пары с вытянутыми орбитами. С поступлением дополнительных данных исследователи смогут более точно установить, насколько часто встречается подобный механизм формирования двойных систем и какое влияние он оказывает на эволюцию компактных объектов во Вселенной.