Обнаружено самое крупное слияние черных дыр

Исследовательская группа, в которую входят физики из Университета Мэриленда, обнаружила две сливающиеся черные дыры, но одна из них была в 1,5 раза массивнее, чем когда-либо наблюдалось при столкновении черных дыр. Исследователи полагают, что более тяжелая черная дыра в паре может быть результатом предыдущего слияния двух черных дыр. Этот тип иерархического объединения черных дыр выдвигался в прошлом, но наблюдаемое событие GW190521 будет первым свидетельством подобного. Обсерватория LIGO научного сотрудничества (LSC) и Virgo Collaboration объявили об открытии в двух статьях, опубликованных 2 сентября 2020 года в журналах Physical Review Letters и Astrophysical Journal Letters.

Ученые идентифицировали сливающиеся черные дыры, обнаружив гравитационные волны (рябь в ткани пространства-времени) созданные в последние моменты слияния. Гравитационные волны от GW190521 были обнаружены 21 мая 2019 года двумя детекторами LIGO, расположенными в Ливингстоне, Луизиана, и Хэнфорде, Вашингтон, и детектором Virgo, расположенным недалеко от Пизы, Италия.

«Масса более крупной черной дыры в паре помещает ее в диапазон, неожиданный для обычных астрофизических процессов», - сказал Питер Шаухан, профессор физики в UMD, главный исследователь LSC. «Она кажется слишком массивной, чтобы образоваться из коллапсирующей звезды, из которой обычно происходят черные дыры».

Большая черная дыра в сливающейся паре массой в 85 раз больше Солнца. Один из возможных сценариев заключается в том, что более крупный объект мог быть результатом предыдущего слияния черных дыр, а не единственной коллапсирующей звезды. Согласно современным представлениям, звезды, которые могут дать начало черным дырам с массой от 65 до 135 раз больше, чем Солнце, не разрушаются при смерти. Поэтому не ожидается, что они образуют черные дыры.

«С самого начала этот сигнал, длина которого составляет всего одну десятую секунды, заставил нас определить его происхождение», - сказала Алессандра Буонанно, профессор Колледж-Парк в UMD и главный исследователь LSC. «Но, несмотря на его короткую продолжительность, мы смогли сопоставить сигнал с ожидаемым от слияния черных дыр, как это предсказывает Общая теория относительности Эйнштейна, и поняли, что впервые стали свидетелями рождения промежуточного звена - массивной черной дыры от родительской черной дыры, которая, скорее всего, родилась в результате более раннего бинарного слияния».

GW190521 - одно из трех недавних открытий в области гравитационных волн, которые бросают вызов современному пониманию черных дыр и позволяют ученым по-новому проверить Общую теорию относительности Эйнштейна. Два других события включали первое наблюдаемое слияние двух черных дыр с явно неравными массами и слияние черной дыры и загадочного объекта, который может быть самой маленькой черной дырой или самой большой нейтронной звездой из когда-либо наблюдавшихся.

«Все три события являются новыми с массами или соотношением масс, которых мы никогда раньше не наблюдали», - сказал Шаухан. «Таким образом, мы не только узнаем больше о черных дырах в целом, но и благодаря этим новым свойствам сможем увидеть эффекты гравитации вокруг этих компактных тел, которых раньше не видела. Это дает нам возможность проверить Теорию общей относительности по-новому».

Например, Общая теория относительности предсказывает, что двойные системы с явно неравными массами будут производить гравитационные волны с более высокими гармониками, и это именно то, что ученые смогли наблюдать впервые.

«Когда мы говорим о высших гармониках, мы имеем в виду разницу в звуке между музыкальным дуэтом с музыкантами, играющими на одном и том же инструменте, и разными инструментами», - сказала Буонанно, которая разработала модели формы волны для наблюдения гармоник со своей группой LSC. «Чем больше субструктура и сложность двойной системы - например, разные массы или вращение черных дыр - тем богаче спектр испускаемого излучения».

Помимо этих трех слияний черных дыр и слияния двойных нейтронных звезд, о котором сообщалось ранее, в ходе наблюдений с апреля 2019 года по март 2020 года было выявлено 52 других потенциальных гравитационных волновых события.