При всей своей огромной пустоте Вселенная кипит активностью в виде гравитационных волн. Порожденные экстремальными астрофизическими явлениями, эти реверберации распространяются и сотрясают ткань пространства-времени, подобно звону космического колокола.
Теперь исследователи обнаружили сигнал от того, что может быть самым массивным слиянием черных дыр, когда-либо наблюдаемым в гравитационных волнах. Результатом слияния является первое четкое обнаружение черной дыры «промежуточной массы» с массой от 100 до 1000 масс Солнца.
Они обнаружили сигнал, который они обозначили как GW190521, 21 мая 2019 года с помощью лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) Национального научного фонда, пары идентичных интерферометров длиной 4 километра в Соединенные Штаты; и Virgo, 3-километровый детектор в Италии.
Сигнал, напоминающий примерно четыре коротких покачивания, очень короткий по продолжительности, длящийся менее одной десятой секунды. Из того, что могут сказать исследователи, GW190521 был сгенерирован источником, находящимся примерно в 5 гигапарсеках, когда Вселенная была примерно вдвое старше, что делает его одним из самых удаленных источников гравитационных волн, обнаруженных до сих пор.
Что касается источника этого сигнала, основанного на мощном наборе современных вычислительных и моделирующих инструментов, ученые считают, что GW190521, скорее всего, был сгенерирован слиянием бинарных черных дыр с необычными свойствами.
Почти каждый подтвержденный на сегодняшний день сигнал гравитационных волн исходит от бинарного слияния либо двух черных дыр, либо двух нейтронных звезд. Это новейшее слияние, по-видимому, является самым масштабным из всех, когда речь идет о двух вдохновляющих черных дырах с массами примерно в 85 и 66 раз больше массы Солнца.
Команда LIGO-Virgo также измерила вращение каждой черной дыры и обнаружила, что по мере того, как черные дыры приближались друг к другу, они могли вращаться вокруг своих собственных осей под углами, которые не совпадают с осью. их орбиты. Смещенное вращение черных дыр, вероятно, вызвало колебание их орбит или «прецессию», когда два Голиафа двигались по спирали навстречу друг другу.
Новый сигнал, вероятно, представляет собой момент слияния двух черных дыр. В результате слияния образовалась еще более массивная черная дыра, около 142 солнечных масс, и высвободилось огромное количество энергии, эквивалентное примерно 8 солнечным массам, которая распространилась по Вселенной в виде гравитационных волн.
«Это не очень похоже на чириканье, которое мы обычно обнаруживаем», - говорит член Virgo Нельсон Кристенсен, исследователь из Французского национального центра научных исследований (CNRS), сравнивая сигнал с первым сигналом LIGO. обнаружение гравитационных волн в 2015 году. «Это больше похоже на что-то, что «взорвется», и это самый мощный сигнал, который видели LIGO и Virgo».
Международная группа ученых, входящих в научное сотрудничество LIGO (LSC) и сотрудничество Virgo, сообщила о своих выводах в двух статьях, опубликованных сегодня. Один, опубликованный в Physical Review Letters, подробно описывает открытие, а другой, в The Astrophysical Journal Letters, обсуждает физические свойства сигнала и астрофизические последствия.
«LIGO снова удивляет нас не только обнаружением черных дыр таких размеров, которые трудно объяснить, но и тем, что делает это с помощью методов, не предназначенных специально для слияний звезд», - говорит Педро Марронетти, директор программы гравитационного физики в Национальном научном фонде.«Это имеет огромное значение, поскольку демонстрирует способность прибора обнаруживать сигналы совершенно непредвиденных астрофизических событий. LIGO показывает, что он также может наблюдать неожиданное».
В массовом разрыве
Уникально большие массы двух вдохновляющих черных дыр, а также последней черной дыры вызывают множество вопросов относительно их формирования.
Все черные дыры, наблюдаемые на сегодняшний день, относятся к одной из двух категорий: черные дыры звездной массы, масса которых составляет от нескольких масс Солнца до десятков масс Солнца и, как считается, образуются, когда умирают массивные звезды; или сверхмассивные черные дыры, такие как та, что находится в центре галактики Млечный Путь, размером от сотен тысяч до миллиардов раз больше нашего Солнца.
Однако последняя черная дыра массой 142 солнечных массы, образовавшаяся в результате слияния GW190521, находится в промежуточном диапазоне масс между звездными и сверхмассивными черными дырами - это первая обнаруженная в своем роде черная дыра.
Две черные дыры-прародители, которые произвели окончательную черную дыру, также кажутся уникальными по своим размерам. Они настолько массивны, что ученые подозревают, что одна или обе из них, возможно, не образовались в результате коллапса звезды, как это происходит с большинством черных дыр звездной массы.
В соответствии с физикой звездной эволюции внешнее давление фотонов и газа в ядре звезды поддерживает ее против силы гравитации, толкающей внутрь, так что звезда стабильна, как солнце. После того, как в ядре массивной звезды сливаются ядра, такие же тяжелые, как железо, оно больше не может создавать достаточное давление, чтобы поддерживать внешние слои. Когда это внешнее давление меньше гравитации, звезда коллапсирует под собственным весом во время взрыва, называемого сверхновой с коллапсом ядра, который может оставить после себя черную дыру.
Этот процесс может объяснить, как звезды с массой в 130 масс Солнца могут образовывать черные дыры массой до 65 масс Солнца. Но считается, что для более тяжелых звезд имеет место явление, известное как «нестабильность пар». Когда фотоны ядра становятся чрезвычайно энергичными, они могут превратиться в пару электронов и антиэлектронов. Эти пары создают меньшее давление, чем фотоны, в результате чего звезда становится неустойчивой к гравитационному коллапсу, а возникающий в результате взрыв достаточно силен, чтобы ничего не оставить после себя. Даже более массивные звезды с массой более 200 солнечных в конечном итоге схлопываются прямо в черную дыру массой не менее 120 солнечных. Таким образом, коллапсирующая звезда не должна быть способна образовать черную дыру с массой примерно от 65 до 120 масс Солнца - диапазон, известный как «массовый разрыв парной нестабильности».
Но теперь, более тяжелая из двух черных дыр, вызвавших сигнал GW190521, с массой 85 солнечных масс, является первой до сих пор обнаруженной в пределах массовой щели парной нестабильности.
«Тот факт, что мы видим черную дыру в этом массовом разрыве, заставит многих астрофизиков почесать затылки и попытаться выяснить, как образовались эти черные дыры», - говорит Кристенсен, директор Лаборатория Артемиды в обсерватории Ниццы во Франции.
Одна из возможностей, которую исследователи рассматривают в своей второй статье, заключается в иерархическом слиянии, при котором две черные дыры-прародители сами могли образоваться в результате слияния двух меньших черных дыр, прежде чем мигрировать вместе и в конечном итоге слиться.
«Это событие открывает больше вопросов, чем дает ответов», - говорит член LIGO Алан Вайнштейн, профессор физики Калифорнийского технологического института. «С точки зрения открытий и физики это очень захватывающая вещь».
Что-то неожиданное
Осталось много вопросов по GW190521.
По мере того как детекторы LIGO и Virgo прослушивают гравитационные волны, проходящие через Землю, автоматический поиск просматривает входящие данные в поисках интересных сигналов. Эти поиски могут использовать два разных метода: алгоритмы, которые выбирают определенные волновые модели в данных, которые могли быть созданы компактными бинарными системами; и более общий «взрывной» поиск, который, по сути, ищет что-то необычное.
Член LIGO Сальваторе Витале, доцент кафедры физики в Массачусетском технологическом институте, сравнивает компактный бинарный поиск с «прохождением гребенки по данным, которая улавливает объекты в определенном интервале», в отличие от пакетного поиска, который больше похож на « универсальный подход.
В случае с GW190521 это был пакетный поиск, который уловил сигнал чуть более четко, открывая очень маленькую вероятность того, что гравитационные волны возникли в результате чего-то другого, а не бинарного слияния.
«Планка для утверждения, что мы открыли что-то новое, очень высока», - говорит Вайнштейн. «Поэтому мы обычно применяем бритву Оккама: чем проще решение, тем лучше, и в данном случае это бинарная черная дыра».
Но что, если что-то совершенно новое создало эти гравитационные волны? Это заманчивая перспектива, и в своей статье ученые кратко рассматривают другие источники во Вселенной, которые могли генерировать обнаруженный ими сигнал. Например, возможно, гравитационные волны были испущены коллапсирующей звездой в нашей галактике. Сигнал также может исходить от космической струны, возникшей сразу после того, как Вселенная раздулась в самые ранние моменты своего существования, хотя ни одна из этих экзотических возможностей не соответствует данным, а также бинарному слиянию..
«С тех пор, как мы впервые включили LIGO, все, что мы с уверенностью наблюдали, было столкновением черных дыр или нейтронных звезд, - говорит Вайнштейн. не такое столкновение. Хотя это событие согласуется с тем, что оно произошло от исключительно массивного слияния бинарных черных дыр, и альтернативные объяснения не одобряются, оно раздвигает границы нашей уверенности. И это потенциально делает его чрезвычайно захватывающим. Потому что мы все надеялись для чего-то нового, чего-то неожиданного, что может бросить вызов тому, что мы уже узнали. У этого события есть потенциал для этого."