Обнаружены гравитационные волны от чёрных дыр, сформировавшихся позже, чем их предшественники.

Новости МирТесен

В октябре и ноябре 2024 года международная сеть гравитационно-волновых обсерваторий LIGO‑Virgo‑KAGRA зарегистрировала два аномальных события, которые, скорее всего, стали результатом слияния черных дыр, возникших 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.

Наличие этих особенностей позволяет сделать вывод о том, что мы наблюдаем черные дыры «второго поколения» – объекты, образовавшиеся в результате предшествующих слияний в условиях экстремальных астрофизических процессов, например, в плотных звездных скоплениях. В случае подтверждения этого открытия, это станет первым зарегистрированным случаем обнаружения гравитационных волн, исходящих от подобных объектов.

Полученные данные расширяют наши знания о механизмах формирования двойных систем черных дыр в условиях, характеризующихся высокой степенью сложности, и предоставляют возможность для проверки как общей теории относительности, так и альтернативных сценариев, которые могут выходить за пределы общепринятой модели физики элементарных частиц.

Обнаружены два крайне нетипичных гравитационных колебаний

На первом зарегистрированном событии, GW241011, две черные дыры, имеющие массу в 17 и 7 солнечных масс соответственно, объединились, образовав новую черную дыру с исключительно высокой скоростью вращения по сравнению с ранее наблюдаемыми. Спин, то есть скорость вращения черной дыры вокруг своей оси, предоставляет ценную информацию о ее формировании. Объяснить столь высокую скорость вращения сложно, если предположить, что черная дыра образовалась в результате непосредственного коллапса звезды; более вероятным представляется ее происхождение от предшествующего слияния, в процессе которого она унаследовала часть вращательной энергии.

Во время второго события, обозначенного как GW241110, первичная черная дыра имела ретроградный спин, вращаясь в направлении, противоположном движению двойной системы по орбите. Объяснить такую особенность в системе, сформировавшейся независимо, довольно сложно. Гораздо вероятнее, что эта черная дыра возникла в плотной среде, например, в звездном скоплении, где часты столкновения между черными дырами, которые могут происходить в произвольных направлениях. В таких условиях последующие слияния и динамические взаимодействия способны приводить к необычным конфигурациям, подобным той, что была зафиксирована.

Заметная разница в массе двух составляющих (около 2:1) указывает на то, что более массивная черная дыра, вероятно, образовалась в результате предыдущего слияния, и, таким образом, речь идет о «иерархическом» процессе. Такие слияния чаще всего происходят в плотных звездных скоплениях или карликовых галактиках с высокой плотностью, где вероятность столкновений между черными дырами существенно выше, чем в изолированных системах.

Обнаружение этих двух необычных слияний указывает на то, что сеть LIGO‑Virgo‑KAGRA теперь может изучать ранее недостаточно исследованные области, предоставляя новые перспективы для изучения эволюции популяций черных дыр.

Последствия для фундаментальной физики

Эти наблюдения, помимо своей астрофизической ценности, дают возможность исследовать физические процессы в экстремальных средах, аналогичных тем, что формируются вблизи черных дыр. Чрезвычайно высокая скорость вращения черной дыры, зафиксированная в GW241011, позволила провести проверку предсказаний общей теории относительности, а именно – «решения Керра», которое описывает структуру пространства-времени вокруг вращающейся черной дыры. Полученные данные продемонстрировали высокую степень соответствия с теоретическими расчетами Эйнштейна.

Наличие быстро вращающейся черной дыры даже спустя миллионы или миллиарды лет опровергает предположение о существовании ультралегких бозонов – гипотетических частиц. Если бы такие частицы действительно существовали, они могли бы отнимать энергию у вращающихся черных дыр, постепенно снижая их скорость. Событие GW241011 не демонстрирует признаков подобного замедления, что сужает диапазон возможных масс этих бозонов.

Наличие подобных нетипичных объединений позволяет предположить, что некоторые из обнаруженных на данный момент черных дыр могли образоваться позже, в результате слияний, произошедших ранее в областях с высокой плотности. Это стимулирует ученых к пересмотру моделей, определяющих частоту таких слияний, ожидаемые массы и параметры вращения, а также количество объектов, которые удастся наблюдать в будущем.

Исследование, сообщающее об открытии, в The Astrophysical Journal Letters.