Международная команда из Китая и Италии сообщила о возможном космическом повторении знаменательного открытия 2017 года в области мультимессенджерной астрономии. В ноябре 2024 года обсерватории LIGO-Virgo-KAGRA зафиксировали гравитационные волны от слияния двойной черной дыры, получившей обозначение S241125n. Примечательно, что всего через несколько секунд после этого спутники зафиксировали короткую вспышку гамма-лучей (GRB) из той же области неба.
Редкое событие гравитационных волн связано с гамма-вспышкой?
Гравитационные волны — это волны в пространстве-времени от насильственных космических событий. Считалось, что столкновение черных дыр являются «темными» для обычных телескопов, не излучая свет. Однако событие 2024 года S241125n, кажется, опровергает это мнение. Приблизительно через 11 секунд после сигнала гравитационных волн обсерватория NASASwift обнаружила короткую гамма-вспышку в том же районе неба, а вскоре после этого новый китайский спутник Einstein Probe нашел рентгеновское послесвечение в этой местности.
Ученые отмечают, что корреляция между сигналом гравитационных волн и вспышкой гамма-лучей вряд ли просто случайностью. Общий анализ команды, опубликованный в The Astrophysical Journal, оценивает суммарную частоту ошибочных тревог примерно как один случай на 30 лет наблюдений. «Эта оценка заведомо консервативна, и подлинная вероятность случайного совпадения может быть даже ниже. Однако в интересах научной строгости мы пока не можем сделать окончательный вывод. Несмотря на это, событие очень интригующее», — объясняют исследователи.
Интересно, что общая энергия, светимость и продолжительность этого источника схожи с теми, что характерны для типичной короткой гамма-вспышки. Однако фотонные индексы отличаются от типичных. Фотонный индекс импульсного излучения мягче типичного, тогда как послесвечение — жестче типичного. Это свидетельствует о том, что этот источник может обладать особым механизмом излучения или другим эффектом распространения.
Огромное расстояние от события
Одним из поразительных аспектов S241125n является его чрезвычайная удаленность. Гравитационные волны путешествовали примерно 4,2 миллиарда световых лет, чтобы достичь Земли (красное смещение z ≈ 0,73), что означает, что это столкновение произошло, когда Вселенная была гораздо моложе. Привлеченные черные дыры были очень массивными.
Анализ свидетельствует, что объединенная масса пара была значительно больше 100 солнечных масс, что делает их одними из самых массивных известных слияний черных дыр звездной массы. Для сравнения, большинство слияний черных дыр, наблюдавших LIGO, включают общие массы в несколько десятков солнечных. Такое массивное слияние редко и интересно, ведь оно намекает на то, что каждая черная дыра могла сама вырасти от предыдущих слияний или экзотических процессов формирования.
Выявление слияния объектов большой массы при z~0,73 также свидетельствует о том, что эти события можно наблюдать на огромных расстояниях. «Слушать» слияние черных дыр на миллиарды световых лет и, возможно, видеть вспышку от них – это определенное достижение современной астрофизики. Это бросает вызов исследователям в объяснении того, как пары черных дыр такой величины могут создавать электромагнитные фейерверки, явление, которое не ожидается в вакууме космоса.
Слияние в активном сердце галактики
Исследовательская команда, возглавляемая учеными из Китая (Университет науки и технологии Китая, Шанхайская астрономическая обсерватория и Университет Нинбо) и Италии (Международный центр релятивистской астрофизики, Итальянский национальный институт астрофизики и Университет Феррари) дыр могло породить короткую гамма-вспышку. Они предполагают, что две черные дыры объединились внутри плотного диска газа и пыли, которая окружает центральную сверхмассивную черную дыру галактики, среду, известную как диск активного галактического ядра (AGN).
В этих оживленных галактических ядрах огромное количество материала вращается вокруг центральной черной дыры, создавая естественную «богатую топливо» среду. Если двойная чёрная дыра случайно слилась в таком диске, слияние не происходит изолированно, оно происходит среди густого комплекса материи.
По модели команды, когда черные дыры слились, образовавшаяся новая черная дыра получила мощный удар (реактивную скорость) из-за асимметричного излучения гравитационных волн. Эта оттолкнутая черная дыра, теперь двигающаяся сквозь окружающий газ, быстро поглотит материал на своем пути. Скорость аккреции могла быть гиперэддинговой, значительно превышая нормальный лимит, при котором черная дыра может стабильно потреблять материю.
По сути, слияние превратило черную дыру в ненасытный двигатель. Считается, что столь интенсивная аккреция в магнитной среде запускает релятивистские джеты, энергия вращения вращающейся черной дыры питает двойные джеты излучения и частицы, которые выбрасываются наружу почти со скоростью света. Когда джет прорывался через тяжелый диск активного галактического ядра, он создавал ударные волны в густом газе. Сначала энергия джета была заперта внутри диска, нагревая газ. Но когда джет наконец-то пробился к поверхности диска, те фотоны могли убежать. Результат: вспышка высокоэффективного излучения, вышедшая из ядра галактики.
По сути, команда утверждает, что этот процесс привел бы к короткой вспышке гамма-лучей, не от слияния нейтронных звезд, как обычно, а от слияния черных дыр в необычной среде. Такой «выход ударной волны» с диска создал бы комптонизированный (термализованный) гамма-спектр, который интересно соответствует наблюдениям Swift: мгновенное излучение GRB было необычно мягким (с низкой энергией фотонов) по сравнению с обычными короткими гамма-вспышками.
Расширяя возможности мультимессенджерной астрономии
Если подтвердится эта ассоциация гравитационной волны и вспышки гамма-лучей, это откроет новую эру исследования слияний черных дыр как с помощью «ушей», так и «глаз». До слияния двойных черных дыр фиксировались только с помощью гравитационных волн; S241125n свидетельствует о том, что при специальных условиях их можно увидеть (в высокоэнергичном свете). Это предоставит богатые возможности для изучения условий окружающей среды вокруг сливающихся черных дыр и физики формирования струй в плотных средах. Такое измерение с двумя подходами может даже уточнить наши оценки космического расширения, используя событие в качестве «стандартной сирены» (индикатор расстояния по гравитационной волне) с определенным красным смещением галактики-хозяина.
Это событие также подчеркивает важность командной работы в многомессенджерной астрономии: детекторы гравитационных волн зафиксировали звук слияния, гамма- и рентгеновские телескопы — его вспышку, и вместе они рассказывают гораздо более полную историю, чем каждый в одиночку.
По мере того, как астрономическое сообщество тщательно анализирует это событие, больше данных может еще больше подтвердить случай. Авторы предлагают искать характерные отпечатки в сигнале гравитационных волн, такие как остаточный орбитальный эксцентриситет динамической среды диска AGN. Они также рекомендуют проводить глубокие наблюдения региона, чтобы найти галактику-хозяина (вероятно, удаленную галактику с ярким активным внутренним ядром).
Подводя итог, можно сказать, что потенциальное обнаружение гамма-вспышки, вызванной слиянием черных дыр, является захватывающим и неожиданным поворотом событий. Это свидетельствует о том, что при определенных условиях даже самые темные космические столкновения могут освещать Вселенную. Спустя семь лет после регистрации первого события в области мультимессенджерной астрономии это явление, произошедшее примерно на полпути через видимую Вселенную и связанное со слиянием черных дыр массой более 100 масс Солнца, может стать следующим перспективным кандидатом для подобных наблюдений, открывая новые возможности для изучения космоса.
По материалам phys.org
