Ученые исследовали событие GW241011 с помощью детекторов гравитационных волн. Как и ожидалось, их источником является слияние черных дыр. Но на этот раз астрономы заметили кое-что интересное. Некоторые из этих объектов могут быть черными дырами второго поколения. То есть уже пережившими одно слияние.
Физика гравитационных волн
В статье, опубликованной в журнале The Astrophysical Journal Letters, международная коллаборация LIGO-Virgo-KAGRA сообщает об обнаружении двух гравитационных волн в октябре и ноябре 2024 с необычными вращениями черных дыр. Это наблюдение добавляет важную новую информацию в наше понимание самых загадочных явлений во Вселенной.
Гравитационные волны — это «волны» в пространстве-времени, возникающие в результате катастрофических событий в глубоком космосе, причем самые сильные волны образуются в результате столкновения черных дыр.
С помощью сложных алгоритмических методов и математических моделей исследователи могут реконструировать многие физические характеристики обнаруженных черных дыр на основе анализа гравитационных сигналов, таких как масса и расстояние от Земли, а также скорость и направление вращения вокруг своей оси, называемой спином.
Слияние черных дыр
Первое слияние, обнаруженное 11 октября 2024 года (GW241011), произошло примерно в 700 млн световых лет от нас и было результатом столкновения двух черных дыр, масса которых составляла примерно 17 и 7 солнечных. Старшая из них оказалась одной из черных дыр с наибольшей скоростью вращения, зафиксированных на сегодняшний день.
Через почти месяц — 10 ноября 2024 года — было обнаружено событие GW241110, сигнал которого поступал с расстояния около 2,4 млрд световых лет. Оно стало результатом слияния двух черных дыр с массами примерно в 16 и 8 солнечных. Хотя большинство известных черных дыр вращаются в том же направлении, что и их орбита, основная черная дыра GW241110 отличается тем, что вращается в противоположном направлении — это первый зафиксированный случай такого типа.
«Каждое новое открытие дает важную информацию о Вселенной, напоминая нам, что каждое наблюдаемое слияние является не только астрофизическим открытием, но и бесценной лабораторией для исследования фундаментальных законов физики», — говорит соавтор статьи Карл-Йоган Хастер, доцент кафедры астрофизики Университета Невады в Лас-Вегасе (UNLV).
Такие двойные системы были предусмотрены на основе предыдущих наблюдений, но это первое прямое доказательство их существования.
«Второе поколение» черных дыр
Интересно, что оба обнаружения указывают на возможность существования «черных дыр второго поколения».
Астрономы говорят, что GW241011 и GW241110 являются одними из новейших событий среди нескольких сотен, зафиксированных сетью LIGO-Virgo-KAGRA. Поскольку в обоих событиях есть одна черная дыра, которая одновременно значительно массивнее другой и быстро вращается, они предоставляют соблазнительные доказательства того, что эти черные дыры образовались в результате предварительных слияний.
Ученые указывают на определенные признаки, в частности на разницу в размерах черных дыр в каждом слиянии — большая почти вдвое превосходила меньшую — и на ориентацию вращения большей из черных дыр в каждом событии. Естественным объяснением этих особенностей является то, что черные дыры являются результатом предыдущих слияний. Этот процесс, называемый иерархическим слиянием, свидетельствует о том, что эти системы сформировались в плотных средах, в таких регионах, как звездные скопления, где черные дыры с большей вероятностью сталкиваются друг с другом и сливаются снова и снова.
Эти открытия подчеркивают важность международного сотрудничества в раскрытии самых непредсказуемых явлений во Вселенной.
Выявление скрытых свойств слияний черных дыр
Гравитационные волны впервые предсказал Альберт Эйнштейн как часть своей общей теории относительности в 1916 году, однако их наличие — хотя и доказанное в 1970-х годах — было непосредственно наблюдаемо учеными лишь 10 лет назад, когда научные коллаборации LIGO и Virgo объявили об обнаружении волн в результате слияния черных дыр.
Сегодня LIGO-Virgo-KAGRA является всемирной сетью современных детекторов гравитационных волн и близится к завершению четвертого периода наблюдений, O4. Текущий период наблюдений начался в конце мая 2023 года и, как ожидается, продлится до середины ноября этого года. На сегодняшний день с помощью гравитационных волн наблюдалось примерно 300 слияний черных дыр, включая кандидатов, выявленных во время текущего периода O4, ожидающих окончательного подтверждения.
Более того, в случае наблюдения, о котором объявлено сегодня, точность измерения GW241011 также позволила проверить ключевые предсказания теории общей относительности Эйнштейна при экстремальных условиях.
На самом деле это событие сравнимо с предвидениями теории Эйнштейна и решением математика Роя Керра для вращающихся черных дыр. Быстрый оборот черной дыры несколько деформирует ее, оставляя характерный отпечаток в излучаемых ими гравитационных волнах.
Анализируя GW241011, исследовательская команда обнаружила отличное соответствие решению Керра и еще раз подтвердила предсказание Эйнштейна, но с беспрецедентной точностью.
Поиск новых элементарных частиц
Быстро вращающиеся черные дыры, подобные наблюдавшимся в этом исследовании, имеют еще одно применение — в физике частиц. Ученые могут использовать их, чтобы проверить, существуют ли определенные гипотетические легкие элементарные частицы и какова их масса.
Эти частицы, называемые сверхлегкими бозонами, предусматриваются некоторыми теориями, выходящими за рамки Стандартной модели физики частиц, описывающей и классифицирующей все известные элементарные частицы. Если сверхлегкие бозоны существуют, они могут извлекать вращательную энергию из черных дыр. Сколько энергии будет извлечено и как сильно вращение черных дыр замедлится со временем, зависит от массы этих частиц, которая до сих пор неизвестна.
Наблюдение того, что массивная черная дыра в излучившейся двойной системе GW241011, продолжающий быстро вращаться даже через миллионы или миллиарды лет после ее образования, исключает широкий спектр масс ультралегких бозонов.
По материалам phys.org
