Рекорд и тайна одновременно: астрономы зафиксировали необычное и до сих пор уникальное гравитационно-волновое явление. Потому что и первоначальные объекты этого слияния, и получившаяся в результате черная дыра тяжелее, чем все, что наблюдалось ранее, и тяжелее, чем позволяют современные модели. Образовавшийся при столкновении объект с массой 142 массы Солнца также может быть первой четко обнаруженной промежуточной черной дырой.
Астрономы уже обнаружили десятки слияний черных дыр с помощью гравитационных волн, включая столкновения очень непохожих партнеров, таких как черные дыры с разной гравитацией или черная дыра с нейтронной звездой. Однако в большинстве случаев массы вовлеченных объектов находились в диапазоне, обычном для звездных черных дыр. Эти сингулярности, созданные сверхновыми, могут объединяться, согласно современной доктрине, максимум в 65 солнечных масс.
GW190521: Хлопать вместо чириканья
Но теперь детекторы обсерваторий LIGO и Virgo уловили сигнал гравитационных волн, который, кажется, нарушает все правила. Сигнал GW190521, обнаруженный 21 мая 2019 года, имел длительность всего около одной десятой секунды и охватывал четыре цикла колебаний - это соответствует двум последним орбитам двух черных дыр перед их слиянием.
Что было необычным, так это высокая интенсивность и низкая частота колебаний, что указывало на слияние двух особенно массивных объектов. «Сигнал был не столько щебетанием, как мы обычно обнаруживаем, сколько настоящим «взрывом» - это самый мощный сигнал, который когда-либо наблюдали LIGO и Virgo», - говорит Нельсон Кристенсен из Французского национального исследовательского центра CNRS.
Больше, чем что-либо прежде
Из характеристик GW190521 исследователи пришли к выводу, что эти гравитационные волны должны были возникнуть в результате слияния двух особенно массивных черных дыр. «Большая из них была около 85 солнечных масс, меньшая - ближе к 66 солнечным массам», - сообщает коллаборация LIGO. «Обе черные дыры, таким образом, намного массивнее, чем любые ранее обнаруженные Virgo и LIGO».
Это делает GW190521 слиянием с самой высокой общей массой из когда-либо наблюдавшихся. Энергия, выделившаяся при этом столкновении, была соответственно велика: гравитационные волны имели энергетический эквивалент семи солнечных масс. Это сделало их достаточно «громкими», чтобы донести до нас даже с огромного расстояния. Слияние двух черных дыр произошло около семи миллиардов лет назад - в то время Вселенная была вдвое моложе, чем сегодня.
Первое свидетельство промежуточной черной дыры?
Событие GW190521 заставляет физиков объяснять его несколькими способами. Потому что масса его действующих лиц рекордна, пока уникальна и противоречит общепринятым теориям. «Это событие вызывает больше вопросов, чем дает ответов», - говорит член LIGO Алан Вайнштейн из Калифорнийского технологического института. «С точки зрения физики это очень увлекательная вещь».
Первой загадкой является черная дыра, образовавшаяся при слиянии: с массой 142 Солнца она находится в промежуточном диапазоне между звездными черными дырами и сверхмассивными черными дырами ядер галактик. Астрономы давно подозревали, что должны быть промежуточные черные дыры, перекрывающие этот разрыв от 100 до 100.000 солнечных масс заполнить. Но пока есть некоторые кандидаты в этот класс - но четкого доказательства все еще нет.
«Теперь у нас есть доказательства того, что эти промежуточные черные дыры существуют», - говорит Кристофер Берри из Северо-Западного университета в Эванстоне.
Выносливее, чем позволяет теория
Вторую загадку задает один из двух предшественников этой промежуточной черной дыры: с массой 85 солнечных она находится в диапазоне масс, в котором на самом деле не может быть звездных черных дыр. Согласно современным моделям, сверхновые звезды производят черные дыры с максимальной массой в 65 масс Солнца. С другой стороны, если родительская звезда тяжелее 200 солнечных масс, она не взрывается, а коллапсирует прямо в черную дыру, которая имеет как минимум 120 солнечных масс.
Это означает: В диапазоне от 65 до 120 солнечных масс существует щель, в которой не должно быть черных дыр - астрофизики называют это щелью парной неустойчивости. Но именно в этом промежутке теперь лежит более тяжелый из двух объектов-предшественников GW190521. «Тот факт, что мы видим черную дыру посреди этого массового разрыва, заставит многих астрофизиков задуматься о том, как могла образоваться такая черная дыра», - говорит Кристенсен.
Индикация иерархического слияния?
А ответ? «GW190521 предполагает, что звезды могут либо производить такие массивные черные дыры, либо что некоторые из черных дыр, наблюдаемых LIGO и Virgo, возникли каким-то другим образом - возможно, в результате предыдущего слияния», - объясняет коллаборация LIGO. Тогда GW190521 будет примером постулируемых пока только теоретически иерархических слияний - столкновений черных дыр, которые, в свою очередь, также возникли в результате слияний.
Такая серия все более массивных слияний может произойти, когда многие близкие друг к другу звезды достигают конца своего жизненного цикла и становятся черными дырами в результате взрыва сверхновых - например, в звездных скоплениях или в плотных центрах галактик. Там гравитация сверхмассивной черной дыры могла поймать эти объекты, спровоцировав серийные слияния.
Пока неясно, как возникло событие гравитационной волны GW19052 и как появились его действующие лица. Вопрос о том, являются ли черные дыры такой массы космическими выбросами или представляют собой только тяжелую часть ранее известного спектра масс, еще не выяснен. «Надеюсь, мы скоро узнаем больше, когда проанализируем все слияния черных дыр, наблюдаемые LIGO и Virgo в их третьем сеансе наблюдений», - говорит Карстен Данцманн из Института гравитационной физики им. Макса Планка.