Учёные впервые зарегистрировали слияния чёрных дыр второго поколения

Международная коллаборация LIGO-Virgo-KAGRA, включающая Европейскую гравитационную обсерваторию, объявила об обнаружении двух необычных гравитационно-волновых событий, зарегистрированных в октябре и ноябре 2024 года. Эти события — GW241011 и GW241110 — стали первыми надёжными подтверждениями слияния чёрных дыр второго поколения, сопровождавшимися также первыми обнаруженными аномалиями во вращении этих загадочных объектов.

Новые открытия добавляют ранее не наблюдавшиеся явления в процесс понимания эволюции чёрных дыр и фундаментальных процессов во Вселенной. Гравитационные волны были предсказаны Эйнштейном в 1916 году и впервые зарегистрированы обсерваториями LIGO (США) и Virgo (ЕС) в 2015 году. Они представляют собой рябь пространства-времени, возникающую во время чрезвычайно энергичных событий во Вселенной — например, при слиянии чёрных дыр.

Само по себе обнаружение гравитационных волн несёт мало информации о происходящих процессах. Детали об их источниках раскрывает чрезвычайно сложный анализ и моделирование всех особенностей сигнала. В частности, анализ данных позволяет определить массы столкнувшихся чёрных дыр, скорость и направление их вращения, удалённость события, а также вывести ряд других параметров. При этом точность распознавания сигнала растёт по мере накопления новых данных. Учёные утверждают, что готовы выйти за пределы известной физики, если новые данные выявят нечто необычное — современные детекторы это позволяют. Кстати, сейчас завершается четвёртый цикл наблюдений, начавшийся в мае 2023 года. Он примечателен тем, что к работе подключилась японская гравитационно-волновая обсерватория KAGRA.

За время четвёртого цикла наблюдений, который завершится в следующем месяце, зарегистрировано около 300 гравитационных событий. Среди них два упомянутых выше — GW241011 и GW241110 — стали наиболее интересными. Первое событие, GW241011, зарегистрированное 11 октября 2024 года, произошло на расстоянии 700 млн световых лет и было вызвано слиянием чёрных дыр массами 17 и 7 солнечных масс. Более массивная чёрная дыра показала одну из самых высоких скоростей вращения среди ранее наблюдаемых объектов — она была близка к теоретическому пределу, предсказанному математиком Роем Керром. Тем самым данные наблюдений вновь подтвердили предсказанные Эйнштейном свойства этих объектов.

Второе событие, GW241110, зафиксированное 10 ноября 2024 года, пришло с расстояния 2,4 млрд световых лет и связано со слиянием чёрных дыр массами 16 и 8 солнечных масс. Удивительным в этом случае стало то, что одна из чёрных дыр вращалась в направлении, противоположном орбитальному движению, — это первое подобное наблюдение. И вновь вся математика зарегистрированного события полностью укладывается в рамки предсказаний Эйнштейна.

Оба события указывают на образование чёрных дыр «второго поколения», сформированных путём иерархических слияний в плотных средах, таких как звёздные скопления. Как минимум одна чёрная дыра из каждой пары была непосредственно рождена умершей звездой, а зарегистрированные слияния стали для них следующим этапом на пути набора массы. Разнонаправленные вращения сливающихся чёрных дыр служат дополнительным доказательством того, что они сформировались в разных средах и на значительном расстоянии друг от друга. По крайней мере объект с противоположным направлением вращения возник и эволюционировал в динамичном окружении, что показывает эволюцию чёрных дыр как живую, а не замкнутую систему.

Наконец, длительная стабильность скоростей вращения отдалённой пары чёрных дыр позволяет сделать ряд важных выводов для фундаментальной физики. Ранее в её рамках допускалось существование гипотетических сверхлёгких бозонов. Событие GW241110 заставляет усомниться в их существовании. В противном случае скорости вращения чёрных дыр до слияния GW241110 за миллиарды лет претерпели бы заметные изменения, поскольку рождающиеся вокруг чёрной дыры бозоны уносили бы часть её энергии и замедляли бы вращение. Однако этого не произошло. Стандартная модель снова осталась непоколебима.