23 ноября 2023 года сеть гравитационно-волновых интерферометров LIGO-Virgo-KAGRA зарегистрировала событие GW231123 — самое мощное обнаруженное на данный момент слияние черных дыр. Полученный гравитационный сигнал указывал на объединение двух черных дыр, чья масса составляла приблизительно 100 и 140 солнечных масс, что привело к формированию финальной черной дыры массой около 225 солнечных масс. Этот результат превзошел предыдущий рекорд, установленный событием GW190521, зафиксированным в 2021 году, где итоговая масса оценивалась в 140 солнечных масс.
В рамках четвертой наблюдательной кампании коллаборации LVK, начавшейся в мае 2023 года, было проведено наблюдение. Сигнал GW231123 выделяется не только значительной массой черных дыр, участвовавших в слиянии, но и их высокой скоростью вращения. Предварительный анализ показал, что обе компоненты системы находились вблизи максимального предела спина, который предсказывается Общей теорией относительности Эйнштейна, что затруднило интерпретацию сигнала.
Это необычное явление поднимает новые вопросы о возникновении черных дыр промежуточной массы — области, представляющей значительный научный интерес. Современные модели эволюции звезд не могут в полной мере объяснить наличие объектов, попадающих в этот диапазон масс (примерно от 65 до 120 солнечных масс). Согласно одной из основных гипотез, подобные черные дыры могут формироваться в результате предшествующих слияний в областях с высокой концентрацией звезд, таких как шаровые скопления.
Наличие системы черных дыр ставит под сомнение существующие представления о формировании звёзд
Масса и скорость вращения черных дыр, зафиксированных при слиянии GW231123, не согласуются с общепринятыми представлениями о развитии звезд. Современные теории предполагают, что черные дыры такого размера не способны сформироваться непосредственно в результате гравитационного коллапса массивных звезд. Это связано с действием таких процессов, как парно-неустойчивые сверхновые, которые препятствуют образованию компактных остатков в данном диапазоне масс.
Вероятнее всего, одна из двух обнаруженных черных дыр образовалась в результате предыдущего слияния, произошедшего в рамках иерархической системы роста. Этот процесс эволюции наиболее вероятен в областях с высокой плотности, например, в звездных скоплениях или ядрах галактик, где гравитационные взаимодействия стимулируют множественные слияния. Это приводит к формированию черных дыр промежуточной массы — популяции, которая пока недостаточно изучена, но приобретает все большее значение в астрофизических исследованиях.
GW231123 дает уникальную возможность непосредственно наблюдать подобное явление. Для обработки сигнала потребовались сложные математические модели, которые учитывают как колоссальную массу, так и быстрое вращение объектов. Развитие теоретических инструментов в ближайшем будущем позволит глубже понять не только формирование подобных систем, но и условия, обеспечивающие их существование.
К следующему поколению гравитационно-волновых обсерваторий
Более 200 зарегистрированных событий, полученных только в ходе четвертого цикла наблюдений, указывают на то, что сеть LIGO-Virgo-KAGRA достигает пределов своей производительности, основанной на современных технологиях. События, подобные GW231123, наглядно свидетельствуют о том, что гравитационная астрономия переходит в новую, более зрелую фазу развития: теперь возможно не только выявление гравитационных явлений, но и их подробное изучение, включая динамические характеристики и эволюцию.
Благодаря интерферометрам третьего поколения, таким как Einstein Telescope в Европе и Cosmic Explorer в США, станет возможным изучение более отдалённых и сложных явлений. Кроме того, космическая миссия LISA (ЕКА), старт которой намечен на 2035 год, предоставит уникальную возможность наблюдать гравитационные волны в диапазоне частот и масс, недоступных современным приборам.
Информация о GW231123 будет официально представлена на конференции GR24-Amaldi, которая пройдет в Глазго (Шотландия) с 14 по 18 июля 2025 года, и станет доступна в Gravitational Wave Open Science Center (GWOSC). Это позволит международному научному сообществу провести детальное изучение одного из наиболее экстремальных гравитационных событий, зафиксированных на сегодняшний день.