Обсерваториями LIGO, Virgo и KAGRA, входящими в международную сеть гравитационно-волновых детекторов, были зарегистрированы два гравитационных события, произошедшие в октябре и ноябре 2024 года. Эти события отличаются своей необычностью и, скорее всего, стали результатом слияния черных дыр, образовавшихся в результате предшествующих объединений.
Первое зарегистрированное событие, обозначенное как GW241011, произошло на удалении около 700 миллионов световых лет, а массы его составляющих равнялись примерно 17 и 7 солнечных масс. Более массивная черная дыра характеризовалась одним из самых высоких значений углового момента среди всех зафиксированных ранее. Второе событие, GW241110, зафиксированное на расстоянии приблизительно 2,4 миллиарда световых лет, представляло собой объединение объектов с массами, сопоставимыми с 16 и 8 солнечными массами. При этом, первичная черная дыра вращалась в направлении, противоположном движению системы — это наблюдение стало первым зафиксированным случаем.
Определённые характеристики указывают на то, что речь может идти о черных дырах «второго поколения» – объектах, образовавшихся в результате слияний, произошедших ранее в сложных астрофизических средах, например, в густых звёздных скоплениях. В случае подтверждения этой гипотезы, это станет первым зарегистрированным случаем обнаружения гравитационных волн, исходящих от подобных объектов.
Полученные данные расширяют наши знания о процессах, посредством которых могут возникать двойные системы черных дыр в условиях сложной динамики, и предоставляют возможность для проверки как общей теории относительности, так и альтернативных сценариев, не охватываемых стандартной моделью физики элементарных частиц.
Обнаружены два крайне редких гравитационных явления
На первом зарегистрированном событии, GW241011, две черные дыры, масса которых составляла 17 и 7 солнечных масс, объединились, образовав новую черную дыру, характеризующуюся одним из самых высоких показателей скорости вращения среди всех когда-либо зафиксированных. Спин, или скорость вращения черной дыры вокруг своей оси, предоставляет ценные сведения о ее формировании. Подобная высокая скорость вращения сложно объяснить, если черная дыра возникла в результате непосредственного коллапса звезды; более вероятным представляется ее происхождение от предшествующего слияния, в ходе которого она унаследовала часть вращательной энергии.
Во время второго события, обозначенного как GW241110, первичная черная дыра имела ретроградный спин, вращаясь против направления движения двойной системы. Трудно объяснить такую особенность для объекта, сформировавшегося независимо. Гораздо вероятнее, что эта черная дыра возникла в плотно населенной среде, например, в звездном скоплении, где часты столкновения между черными дырами, и они могут происходить с произвольными ориентациями. В подобных условиях последующие слияния и динамические взаимодействия способны вызывать необычные конфигурации, подобные той, что была зафиксирована.
Существенная разница в массах двух составляющих (приблизительно 2:1) указывает на то, что более массивная черная дыра, вероятно, образовалась в результате предыдущего объединения. Это позволяет предположить наличие «иерархического» слияния. Такие процессы могут происходить в плотных звездных скоплениях или в карликовых галактиках с высокой плотностью, где вероятность столкновений между черными дырами значительно возрастает по сравнению с изолированными системами.
Обнаружение этих двух необычных слияний указывает на то, что сеть LIGO‑Virgo‑KAGRA теперь может изучать ранее недостаточно исследованные области, что дает новые перспективы для понимания процессов эволюции популяций черных дыр.
Последствия для фундаментальной физики
Эти наблюдения, помимо своей астрофизической ценности, дают возможность исследовать физические процессы в экстремальных средах, подобных тем, что формируются вблизи черных дыр. Чрезвычайно высокая скорость вращения черной дыры, зафиксированная в событии GW241011, позволила проверить одно из предсказаний общей теории относительности – так называемое «решение Керра», которое описывает структуру пространства-времени вблизи вращающейся черной дыры. Полученные данные продемонстрировали высокую степень соответствия с теоретическими расчетами Эйнштейна.
Тот факт, что эта черная дыра продолжает быстро вращаться даже спустя миллионы или миллиарды лет, идет вразрез с гипотезой об ультралегких бозонах. Если бы такие частицы действительно существовали, они бы отбирали энергию у вращающихся черных дыр, постепенно замедляя их. Отсутствие признаков подобного замедления в событии GW241011 ограничивает возможный диапазон масс этих бозонов.
Наличие подобных уникальных объединений позволяет сделать вывод, что некоторые из обнаруженных на текущий момент черных дыр могут быть второго поколения, образовавшихся в результате слияний, произошедших ранее в областях с высокой плотности. Это заставляет ученых пересматривать модели, определяющие частоту подобных слияний, ожидаемую массу и параметры вращения, а также количество объектов, которые можно будет наблюдать в будущем.
Исследование, сообщающее об открытии, в The Astrophysical Journal Letters.