Астрономы впервые напрямую зарегистрировали рождение черной дыры промежуточной массы ( 1 фото )

Численное моделирование двух черных дыр, которые движутся по спирали и сливаются, испуская гравитационные волны

N. Fischer, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Max Planck Institute for Gravitational Physics), Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) Collaboration

Группа LIGO/Virgo обнаружила в данных третьего сезона наблюдений всплеск гравитационных волн, возникший при слиянии двух неожиданно массивных черных дыр. Событие произошло, когда возраст Вселенной составлял примерно половину от современного. Образовавшийся в результате компактный объект имеет массу 142 солнечных — это самая тяжелая черная дыра из всех, что удалось обнаружить с помощью гравитационных волн. Кроме того, она формально находится в диапазоне масс, соответствующем черным дырам промежуточной массы — объект такого типа зарегистрирован напрямую учеными впервые. Посвященные открытию работы опубликованы в журналах Physical Review Letters иAstrophysical Journal Letters.

Несмотря на то, что существование гравитационных волн, которые представляют собой колебания геометрии пространства-времени, было предсказано Общей теорией относительности Эйнштейна еще в 1916 году, впервые зарегистрировать их удалось лишь спустя сто лет. В этом астрономам помогли лазерные интерферометры LIGO и VIRGO, которые на текущий момент провели уже три наблюдательные кампании (O1, O2 и О3). Благодаря им удалось поймать момент рождения килоновой, а также обнаружить гравитационный всплеск от слияния нейтронной звезды и черной дыры. Более подробно о том, как регистрируют гравитационные волны, можно прочитать в материалах «На гребне метрического тензора», «Точилка для квантового карандаша» и «Тоньше протона».

Сигнал, получивший обозначение GW190521, был зарегистрирован научными коллаборациями Virgo и LIGO 21 мая 2019 года. Как показали расчеты, его источником стало слияние черных дыр с массами 66 и 85 солнечных. Событие произошло в пяти гигапарсеках от Земли (красное смещение системы составляет z = 0,8), что делает зарегистрированный всплеск одним из самых далеких, обнаруженных на сегодняшний день. Он длился меньше десятой доли секунды, и в энергию волн перешло около восьми масс Солнца.

Рожденная в результате слияния черная дыра в 142 раза тяжелее нашего светила, что позволяет ее формально отнести к черным дырам промежуточной массы (хотя она и находится на самой нижней границе). Объекты такого типа являются «мостиком» между черными дырами звездной массы (от 5 до нескольких десятков масс Солнца) и сверхмассивными черными дырами (от миллиона до нескольких миллиардов масс Солнца). Несмотря на то, что астрономы давно говорили о существовании черных дыр переходных масс, до сих пор им удавалось получить лишь косвенные доказательства их существования. Напрямую зарегистрировать рождение подобного объекта удалось впервые.

Однако больший интерес у астрономов вызвал более тяжелый компонент двойной системы. Согласно современным моделям звездной эволюции, черные дыры, возникающие после смерти звезд, должны иметь массу либо меньше 66, либо больше 120 солнечных. Как отмечает Фрэнк Ом (Frank Ohme), руководитель независимой исследовательской группы при Институте Эйнштейна в Ганновере, черная дыра с массой 85 солнечных, которую мы видим в двойной системе — первая, которая попадает в промежуток масс парной нестабильности.

Согласно современным представлениям, звезды с массой не более 130 солнечных после смерти образуют черную дыру не тяжелее 65 солнечных масс. Звезды с массой более 200 масс Солнца на финальной стадии жизненного цикла рождают черные дыры с массой от 120 солнечных. Между ними находятся светила, чья масса превосходит солнечную в 130-200 раз, и для них характерно явление так называемой парной нестабильности, когда сильное гамма-излучение в недрах звезды начинает порождать электрон-позитронные пары. Как следствие, это сокращает световое давление на внешние слои, что нарушает баланс между ним и силой тяжести. Далее следует частичный коллапс, а затем мощный взрыв, после которого не остается никакого остатка (кроме железа, которое рассеивается в окружающее пространство) — поэтому этот «пробел» и называют промежутком масс парной нестабильности.

Согласно одной из версий, подобная черная дыра может быть также продуктом слияния двух других черных дыр или массивных звезд. Кроме того, это может быть поглощение черной дырой какого-то другого космического объекта или же первичные черные дыры, образовавшиеся после Большого взрыва.

Кроме того, исследователи рассматривают и другие возможные источники сигнала GW190521. Так, астрономы допускают, что гравитационный всплеск мог возникнуть при коллапсе звезды в нашей собственной галактике, или же исходить от космической струны — гипотетического реликтового астрономического объекта, представляющего собой одномерную складку пространства-времени (хотя ни одно из этих явлений не соответствует сигналу так хорошо, как слияние пар черных дыр).

Ранее ученые обнаружили всплеск гравитационных волн, возникший при слиянии черных дыр в асимметричной двойной системе. Результаты работы позволили наложить ограничения на модели формирования подобных систем.

Кристина Уласович