Гравитационные волны рассказали об уникальном столкновении чёрных дыр

Столкнувшиеся чёрные дыры имели заметно различающуюся массу.

Столкнувшиеся чёрные дыры имели заметно различающуюся массу.
Иллюстрация N. Fischer, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Max Planck Institute for Gravitational Physics), Simulating eXtreme Spacetimes project.

Гравитационные волны от столкновения достигли Земли 12 апреля 2019 года.

Гравитационные волны от столкновения достигли Земли 12 апреля 2019 года.
Иллюстрация Pixabay

Столкнувшиеся чёрные дыры имели заметно различающуюся массу.
Гравитационные волны от столкновения достигли Земли 12 апреля 2019 года.

Астрономы впервые поймали гравитационные волны от слияния чёрных дыр, масса которых различалась в несколько раз. Ниже мы расскажем, почему это важно и чем это напомнило учёным музыку.

Всего за несколько лет регистрация гравитационных волн от слияния чёрных дыр прошла путь от сенсации до почти обыденности. Но событие GW 190412, зафиксированное 12 апреля 2019 года на детекторах LIGO и VIRGO, выделяется из этого ряда космических катаклизмов. Оно стало настоящим подарком от Вселенной ко Дню космонавтики.

"Это исключительное событие"

"Это наблюдение является весьма маловероятным, – заявляет Майя Фишбах (Maya Fishbach) из Чикагского университета, член коллаборации LIGO. – Это исключительное событие, потому что мы попросту не ожидали бы его увидеть, основываясь на [наблюдении слияний] первых десяти двойных чёрных дыр".

Поясним, что в первых двух наблюдательных циклах LIGO и VIRGO учёные зафиксировали именно десять столкновений чёрных дыр. Всплеск GW 190412 случился в самом начале третьего цикла.

Что же так удивило исследователей?

Во всех слияниях чёрных дыр, зафиксированных до сего дня, "участники ДТП" имели близкие массы. А на сей раз участники столкновения, произошедшего в 2,4 миллиарда световых лет от Земли, были буквально в разном весе. Одна чёрная дыра имела массу в 30 солнц, а вторая – всего восемь.

"Это первое событие, для которого мы можем с уверенностью сказать, что соотношение масс не равно единице", – констатирует Фишбах.

Эта разница, к слову, сильно меняет картину излучения гравитационных волн.

Чёрные дыры играют Элвиса

Поясним. Столкновения чёрных дыр, которые фиксируются детекторами, происходят в двойных системах. Такая система – это пара чёрных дыр, обращающаяся вокруг общего центра масс. Постепенно компаньоны приближаются друг к другу и в конце концов сталкиваются и сливаются. Излучение, которое фиксируют LIGO и VIRGO, испускается перед самым столкновением и в сам момент катастрофы.

Если партнёры такого космического танца имеют похожие массы, то излучение происходит в основном на одной частоте. Она равна половине частоты, с которой эти тела двигались по орбите непосредственно перед столкновением. Это, так сказать, основной тон волны.

Но если массы чёрных дыр заметно отличаются, то существенная часть энергии должна прийтись на обертоны. И первым из них будет частота, которая в полтора раза больше вышеназванной. Так гласит теория, но теперь астрономы впервые наблюдали это на детекторе гравитационных волн.

Это соотношение частот в музыке называется малой терцией. Подобным аккордом начинается, например, хит Элвиса Пресли I Can't Help Falling in Love with You.

Астрофизики, разумеется, ценят произошедшее событие не в качестве музыки сфер. Им важно, что общая теория относительности Эйнштейна успешно подтверждена новым способом (отметим, что ей уже устраивали самые экзотические проверки).

Кроме того, гравитационный всплеск GW 190412 содержит гораздо больше данных для анализа, чем обычно. Например, специалисты определили скорость вращения одного из членов пары вокруг своей оси, что до сих пор удавалось сделать лишь дважды.

Гравитационные волны от столкновения достигли Земли 12 апреля 2019 года.

Скажи, откуда ты взялась

Надо сказать, что махина массой в 30 солнц вращалась удивительно быстро. Это обстоятельство, а также сама солидная масса объекта, навели специалистов на интересную мысль. Возможно, система, гибель которой астрономы наблюдали 12 апреля, изначально была не двойной, а тройной. Потом две чёрные дыры слились в одну большую, и тройка стала парой. Ну а теперь и паре пришёл конец.

Это может объяснить, как возникла двойная система с отношением масс более 3,5. Ведь обычно считается, что двойные чёрные дыры образуются из двойных звёзд, а те возникают из одного протозвёздного облака. В этом случае значительная разница в массах получившихся чёрных дыр маловероятна (но не невозможна).

Есть и другое объяснение. Может быть, эти чёрные дыры образовались из не связанных друг с другом звёзд. Теоретически они могли образовать двойную систему, уже будучи чёрными дырами.

Правда, для этого им пришлось бы пройти на небольшом расстоянии друг от друга, что само по себе маловероятно на необозримых просторах Галактики. Но в центрах шаровых скоплений звёзд чёрные дыры должны скапливаться сотнями и тысячами. Там они имели бы шанс вступить в тесные отношения (на свою беду, как это часто бывает в жизни).

Неизвестно, какой из двух сценариев реализовался в случае GW 190412. Учёные ждут новых наблюдений, чтобы лучше разобраться в механизмах рождения двойных чёрных дыр.

Отметим, что в третьем наблюдательном цикле LIGO и VIRGO, продолжавшемся с 1 апреля 2019 года по 26 марта 2020 года, было надёжно зарегистрировано 56 гравитационных всплесков. Это более чем впятеро больше, чем в предыдущих циклах.

Обработка собранных данных была приостановлена по той же причине, по которой в 2020 году приостановилось примерно всё: из-за пандемии COVID-19. Эксперты надеются вернуться к работе, когда человечество победит зловредный коронавирус.

Подробная информация о всплеске GW 190412 изложена в препринте научной статьи, опубликованном на сайте коллаборации LIGO.

К слову, ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) писали о слиянии самых лёгких чёрных дыр и о столкновении чёрной дыры с нейтронной звездой.