Два колоссальных столкновения чёрных дыр, обнаруженные с разницей всего в месяц в конце 2024 года, меняют представление учёных о самых экстремальных космических событиях во Вселенной. Эти двойные слияния не только дают новое понимание того, как формируются и развиваются чёрные дыры, но и с беспрецедентной точностью подтверждают предсказания общей теории относительности Альберта Эйнштейна. Более того, эти результаты могут помочь исследователям обнаружить новые, до сих пор неизвестные частицы, способные извлекать энергию из чёрных дыр.
Международная коллаборация LIGO-Virgo-KAGRA объявила об обнаружении двух примечательных гравитационно-волновых сигналов от чёрных дыр с необычными паттернами вращения. Эти события были зафиксированы в октябре и ноябре прошлого года, а результаты исследования опубликованы 28 октября в научном журнале «The Astrophysical Journal Letters».
Гравитационные волны — это микроскопические колебания пространства-времени, возникающие при столкновении или слиянии массивных небесных объектов. Самые сильные сигналы исходят от столкновений чёрных дыр.
Первое событие, получившее название GW241011, произошло 11 октября 2024 года примерно в 700 миллионах световых лет от Земли, когда слились две чёрные дыры — одна массой около 20 солнечных, другая — около 6 солнечных масс. Более крупная из них была идентифицирована как одна из самых быстро вращающихся чёрных дыр, когда-либо наблюдаемых.
Примерно через месяц, 10 ноября 2024 года, было зафиксировано второе событие, GW241110, примерно в 2,4 миллиарда световых лет от нас. В этом слиянии участвовали чёрные дыры массой примерно 17 и 8 солнечных масс. В отличие от большинства чёрных дыр, которые вращаются в том же направлении, что и их орбита, основная чёрная дыра в GW241110 вращалась в противоположном направлении, что стало первым наблюдением такой конфигурации.
«Каждое новое обнаружение даёт важные сведения о Вселенной, напоминая нам, что каждое наблюдаемое слияние — это не только астрофизическое открытие, но и бесценная лаборатория для исследования фундаментальных законов физики, — отметил соавтор исследования Карл-Йохан Хастер, доцент астрофизики из Университета Невады в Лас-Вегасе (UNLV). — Такие бинарные системы предсказывались на основе более ранних наблюдений, но это первое прямое доказательство их существования».
Альберт Эйнштейн впервые предсказал существование гравитационных волн в 1916 году в рамках своей общей теории относительности. Их существование было косвенно подтверждено в 1970-х годах, но учёные впервые напрямую наблюдали их только в 2015 году, когда обсерватория LIGO зафиксировала волны, созданные слиянием чёрных дыр.
Сегодня сеть LIGO-Virgo-KAGRA функционирует как глобальная система передовых детекторов. Команда в настоящее время проводит свою четвёртую наблюдательную кампанию, известную как O4, которая началась в мае 2023 года и продлится до середины ноября 2025 года. На сегодняшний день обнаружено около 300 слияний чёрных дыр, включая кандидатов, найденных во время текущего цикла наблюдений.
Недавнее обнаружение GW241011 и GW241110 демонстрирует, насколько далеко продвинулась гравитационно-волновая астрономия в раскрытии внутренних процессов систем чёрных дыр. Оба события позволяют предположить, что некоторые из этих чёрных дыр могут быть «вторым поколением», образовавшимся из остатков более ранних слияний.
«GW241011 и GW241110 — одни из самых необычных событий среди нескольких сотен, которые наблюдала сеть LIGO-Virgo-KAGRA, — заявил Стивен Фэрхерст, профессор Кардиффского университета и представитель научной коллаборации LIGO. — Поскольку в обоих событиях одна чёрная дыра значительно массивнее другой и быстро вращается, они предоставляют убедительные доказательства того, что эти чёрные дыры образовались в результате предыдущих слияний чёрных дыр».
Исследователи отметили несколько интригующих закономерностей, включая большие различия в массах между парными чёрными дырами — более крупная из них была почти в два раза массивнее своей спутницы — и необычные направления вращения. Эти черты предполагают, что чёрные дыры образовались в результате так называемого иерархического слияния, при котором чёрные дыры в плотно населённых регионах, таких как звёздные скопления, сталкиваются многократно на протяжении своей жизни.
«Эти два слияния двойных чёрных дыр предлагают нам одни из самых захватывающих на сегодняшний день сведений о ранних этапах жизни чёрных дыр, — сказал Томас Каллистер, соавтор и доцент Уильямс-колледжа. — Они учат нас, что некоторые чёрные дыры существуют не просто как изолированные партнёры, а, вероятно, как члены плотной и динамичной «толпы». В дальнейшем мы надеемся, что эти события и другие наблюдения будут всё больше рассказывать нам об астрофизических средах, которые являются домом для этих «толп»».
Исключительная точность обнаружения GW241011 дала исследователям возможность проверить общую теорию относительности Эйнштейна в одной из самых экстремальных сред, когда-либо измеренных. Поскольку это событие было зафиксировано так чётко, учёные смогли сравнить результаты с предсказаниями уравнений Эйнштейна и решением Роя Керра, описывающим вращающиеся чёрные дыры.
Быстрое вращение GW241011 слегка исказило её форму, оставив уникальный отпечаток в гравитационных волнах. Анализ данных показал исключительное соответствие модели Керра, подтвердив предсказания Эйнштейна с рекордной точностью.
Значительная разница в массах сталкивающихся чёрных дыр также породила «высшую гармонику» — своего рода обертон, похожий на те, что слышны в музыкальных инструментах. Эта редкая особенность, чётко наблюдаемая лишь в третий раз, является ещё одним успешным тестом теории Эйнштейна.
«Сила сигнала GW241011 в сочетании с экстремальными свойствами его компонентов — чёрных дыр — предоставляет беспрецедентные средства для проверки нашего понимания самих чёрных дыр, — отмечает Хастер. — Мы теперь знаем, что чёрные дыры имеют форму, предсказанную Эйнштейном и Керром, и общая теория относительности может добавить ещё две галочки в свой список многочисленных успехов. Это открытие также означает, что мы как никогда чувствительны к любой новой физике, которая может лежать за пределами теории Эйнштейна».
Быстро вращающиеся чёрные дыры, подобные тем, что наблюдались в этом исследовании, теперь имеют ещё одно применение — в физике элементарных частиц. Учёные могут использовать их для проверки существования гипотетических лёгких элементарных частиц и определения их массы.
Эти частицы, называемые ультралёгкими бозонами, предсказываются некоторыми теориями, выходящими за рамки Стандартной модели физики элементарных частиц, которая описывает и классифицирует все известные элементарные частицы. Если ультралёгкие бозоны существуют, они могут извлекать вращательную энергию из чёрных дыр. Сколько энергии извлекается и насколько замедляется вращение чёрных дыр со временем, зависит от массы этих частиц, которая до сих пор неизвестна.
Наблюдение за тем, что массивная чёрная дыра в двойной системе, излучившей GW241011, продолжает быстро вращаться даже спустя миллионы или миллиарды лет после своего образования, исключает широкий диапазон масс ультралёгких бозонов.
«Планируемые усовершенствования детекторов LIGO, Virgo и KAGRA позволят проводить дальнейшие наблюдения подобных систем, что даст нам возможность лучше понять как фундаментальную физику, управляющую этими двойными чёрными дырами, так и астрофизические механизмы, которые приводят к их формированию», — заявил Фэрхерст.
Джо Джайм, руководитель площадки обсерватории LIGO Livingston, отметил, что учёные и инженеры LIGO за последние годы внесли улучшения в детекторы, что привело к точным измерениям форм волн слияний, которые позволили сделать такие тонкие наблюдения, как те, что потребовались для GW241011 и GW241110.
«Лучшая чувствительность не только позволяет LIGO обнаруживать гораздо больше сигналов, но и способствует более глубокому пониманию тех, что мы уже обнаружили», — сказал он.
