Науковці дослідили подію GW241011 за допомогою детекторів гравітаційних хвиль. Як і очікувалося, їхнім джерелом є злиття чорних дір. Але цього разу астрономи помітили дещо цікаве. Деякі з цих об’єктів можуть бути чорними дірами другого покоління. Тобто такими, що вже пережили одне злиття.
Фізика гравітаційних хвиль
У статті, опублікованій в журналі The Astrophysical Journal Letters, міжнародна колаборація LIGO-Virgo-KAGRA повідомляє про виявлення двох гравітаційних хвиль у жовтні та листопаді 2024 року з незвичайними обертаннями чорних дір. Це спостереження додає важливу нову інформацію до нашого розуміння найзагадковіших явищ у Всесвіті.
Гравітаційні хвилі — це «хвилі» у просторі-часі, що виникають в результаті катастрофічних подій у глибокому космосі, причому найсильніші хвилі утворюються в результаті зіткнення чорних дір.
За допомогою складних алгоритмічних методів і математичних моделей дослідники можуть реконструювати багато фізичних характеристик виявлених чорних дір на основі аналізу гравітаційних сигналів, таких як маса і відстань від Землі, а також швидкість і напрямок обертання навколо своєї осі, що називається спіном.
Злиття чорних дір
Перше злиття, виявлене 11 жовтня 2024 року (GW241011), відбулося приблизно за 700 млн світлових років від нас і було результатом зіткнення двох чорних дір, маса яких становила приблизно 17 і 7 сонячних. Старша з них виявилася однією з чорних дір із найбільшою швидкістю обертання, зафіксованих на сьогодні.
Майже через місяць — 10 листопада 2024 року — було виявлено подію GW241110, сигнал якої надходив із відстані близько 2,4 млрд світлових років. Вона стала результатом злиття двох чорних дір із масами приблизно у 16 і 8 сонячних. Хоча більшість відомих чорних дір обертаються в тому ж напрямку, що і їхня орбіта, основна чорна діра GW241110 вирізняється тим, що обертається у протилежному напрямку — це перший зафіксований випадок такого типу.
«Кожне нове виявлення дає важливі відомості про Всесвіт, нагадуючи нам, що кожне спостережуване злиття є не тільки астрофізичним відкриттям, а й безцінною лабораторією для дослідження фундаментальних законів фізики», — каже співавтор статті Карл-Йоган Хастер, доцент кафедри астрофізики Університету Невади в Лас-Вегасі (UNLV).
Такі подвійні системи були передбачені на основі попередніх спостережень, але це є першим прямим доказом їхнього існування.
«Друге покоління» чорних дір
Цікаво, що обидва виявлення вказують на можливість існування «чорних дір другого покоління».
Астрономи кажуть, що GW241011 та GW241110 є одними з найновітніших подій серед кількох сотень, зафіксованих мережею LIGO-Virgo-KAGRA. Оскільки в обох подіях є одна чорна діра, яка одночасно значно масивніша за іншу та швидко обертається, вони надають спокусливі докази того, що ці чорні діри утворилися внаслідок попередніх злиттів.
Науковці вказують на певні ознаки, зокрема на різницю у розмірах чорних дір у кожному злитті — більша майже вдвічі перевершувала меншу — та на орієнтації обертання більшої з чорних дір у кожній події. Природним поясненням цих особливостей є те, що чорні діри є результатом попередніх злиттів. Цей процес, який називається ієрархічним злиттям, свідчить про те, що ці системи сформувалися в густих середовищах, у таких регіонах, як зоряні скупчення, де чорні діри більш імовірно стикаються одна з одною та зливаються знову і знову.
Ці відкриття підкреслюють важливість міжнародної співпраці у розкритті найнепередбачуваніших явищ у Всесвіті.
Виявлення прихованих властивостей злиттів чорних дір
Гравітаційні хвилі вперше передбачив Альберт Ейнштейн як частину своєї загальної теорії відносності в 1916 році, проте їхня наявність — хоч і доведена в 1970-х роках — була безпосередньо спостережена науковцями лише 10 років тому, коли наукові колаборації LIGO та Virgo оголосили про виявлення хвиль у результаті злиття чорних дір.
Сьогодні LIGO-Virgo-KAGRA є всесвітньою мережею сучасних детекторів гравітаційних хвиль і наближається до завершення свого четвертого періоду спостережень, O4. Поточний період спостережень розпочався наприкінці травня 2023 року і, як очікується, триватиме до середини листопада цього року. На сьогодні за допомогою гравітаційних хвиль спостерігалося приблизно 300 злиттів чорних дір, включно з кандидатами, виявленими під час поточного періоду O4, які очікують остаточного підтвердження.
Навіть більше, у випадку спостереження, про яке оголошено сьогодні, точність вимірювання GW241011 також дозволила перевірити ключові передбачення теорії загальної відносності Ейнштейна за екстремальних умов.
Насправді цю подію можна порівняти з передбаченнями теорії Ейнштейна та розв’язком математика Роя Керра для обертових чорних дір. Швидкий оберт чорної діри дещо деформує її, залишаючи характерний відбиток у гравітаційних хвилях, які вона випромінює.
Аналізуючи GW241011, дослідницька команда виявила відмінну відповідність розв’язанню Керра та ще раз підтвердила передбачення Ейнштейна, але з безпрецедентною точністю.
Пошук нових елементарних частинок
Швидко обертові чорні діри, подібні до тих, що спостерігалися в цьому дослідженні, мають ще одне застосування — у фізиці частинок. Науковці можуть використовувати їх, щоб перевірити, чи існують певні гіпотетичні легкі елементарні частинки та якою є їхня маса.
Ці частинки, які називають надлегкими бозонами, передбачаються деякими теоріями, що виходять за межі Стандартної моделі фізики частинок, яка описує та класифікує всі відомі елементарні частинки. Якщо надлегкі бозони існують, вони можуть витягувати обертальну енергію з чорних дір. Скільки енергії буде витягнуто і як сильно обертання чорних дір сповільниться з часом, залежить від маси цих частинок, яка досі невідома.
Спостереження того, що масивна чорна діра у подвійній системі, яка випромінила GW241011, продовжує швидко обертатися навіть через мільйони чи мільярди років після її утворення, виключає широкий спектр мас ультралегких бозонів.
За матеріалами phys.org
