Міжнародна команда з Китаю та Італії повідомила про можливе космічне повторення знаменного відкриття 2017 року в галузі мультимесенджерної астрономії. У листопаді 2024 року обсерваторії LIGO-Virgo-KAGRA зафіксували гравітаційні хвилі від злиття подвійної чорної діри, яке отримало позначення S241125n. Примітно, що всього за кілька секунд після цього супутники зафіксували короткий спалах гамма-променів (GRB) з тієї ж області неба.
Рідкісна подія гравітаційних хвиль пов’язана з гамма-спалахом?
Гравітаційні хвилі — це хвилі у просторі-часі від насильницьких космічних подій. Вважалося, що зіткнення чорних дір є «темними» для звичайних телескопів, не випромінюючи світла. Проте подія 2024 року S241125n, здається, спростовує цю думку. Приблизно за 11 секунд після сигналу гравітаційних хвиль обсерваторія NASA Swift виявила короткий гамма-спалах у тому ж районі неба, а незабаром після цього новий китайський супутник Einstein Probe знайшов рентгенівське післясвітіння в цій місцевості.
Вчені зазначають, що кореляція між сигналом гравітаційних хвиль і спалахом гамма-променів навряд чи є просто випадковістю. Спільний аналіз команди, опублікований у The Astrophysical Journal, оцінює сумарну частоту хибних тривог приблизно як один випадок на 30 років спостережень. «Ця оцінка свідомо консервативна, і справжня ймовірність випадкового збігу може бути навіть нижчою. Проте в інтересах наукової строгості ми поки не можемо зробити остаточний висновок. Попри це, подія дуже інтригує», — пояснюють дослідники.
Цікаво, що загальна енергія, світність і тривалість цього джерела схожі на ті, що характерні для типового короткого гамма-спалаху. Однак фотонні індекси відрізняються від типових. Фотонний індекс імпульсного випромінювання є м’якшим за типовий, тоді як післясвітіння — жорсткіше за типовий. Це свідчить про те, що це джерело може мати особливий механізм випромінювання або інший ефект поширення.
Величезна відстань від події
Одним із цікавих аспектів S241125n є його надзвичайна віддаленість. Гравітаційні хвилі подорожували приблизно 4,2 млрд світлових років, щоб досягти Землі (червоне зміщення z ≈ 0,73), що означає, що це зіткнення відбулося, коли Всесвіт був значно молодший. Залучені чорні діри були неабияк масивними.
Аналіз свідчить, що об’єднана маса пари була значно більшою за 100 сонячних мас, що робить їх одними з наймасивніших відомих злиттів чорних дір зоряної маси. Для порівняння, більшість злиттів чорних дір, які спостерігав LIGO, включають загальні маси в кілька десятків сонячних. Таке масивне злиття є рідкісним і цікавим, адже воно натякає на те, що кожна чорна діра могла сама вирости від попередніх злиттів або екзотичних процесів формування.
Виявлення злиття об’єктів великої маси при z ~0,73 також свідчить про те, що ці події можна спостерігати на величезних відстанях. «Слухати» злиття чорних дір на мільярди світлових років і, можливо, бачити спалах від них — це визначне досягнення сучасної астрофізики. Це кидає виклик дослідникам у поясненні того, як пари чорних дір такої величини можуть створювати електромагнітні феєрверки, явище, яке не очікується у вакуумі космосу.
Злиття в активному серці галактики
Дослідницька команда, очолювана науковцями з Китаю (Університет науки та технології Китаю, Шанхайська астрономічна обсерваторія та Університет Нінбо) та Італії (Міжнародний центр релятивістської астрофізики, Італійський національний інститут астрофізики та Феррарський Університет), пропонує сміливе пояснення того, як зіткнення чорних дір могло породити короткий гамма-спалах. Вони припускають, що дві чорні діри об’єдналися всередині щільного диска газу та пилу, що оточує центральну надмасивну чорну діру галактики, середовище, відоме як диск активного галактичного ядра (AGN).
У цих жвавих галактичних ядрах величезна кількість матеріалу обертається навколо центральної чорної діри, створюючи природне «багате на паливо» середовище. Якщо подвійна чорна діра випадково злилася в такому диску, злиття не відбувається ізольовано, воно відбувається серед густого комплексу матерії.
За моделлю команди, коли чорні діри злилися, утворена нова чорна діра отримала потужний удар (реактивну швидкість) через асиметричне випромінювання гравітаційних хвиль. Ця відштовхнута чорна діра, що тепер рухається крізь навколишній газ, швидко поглине матеріал на своєму шляху. Швидкість акреції могла бути гіпереддінговою, значно перевищуючи нормальний ліміт, за якого чорна діра може стабільно споживати матерію.
По суті, злиття перетворило чорну діру на ненаситний двигун. Вважається, що така інтенсивна акреція в магнітному середовищі запускає релятивістські джети, енергія обертання обертової чорної діри живить подвійні джети випромінювання та частинки, які викидаються назовні майже зі швидкістю світла. Коли джет проривався через важкий диск активного галактичного ядра, він створював ударні хвилі в густому газі. Спочатку енергія джета була замкнена всередині диска, нагріваючи газ. Але коли джет нарешті пробився до поверхні диска, ті фотони могли втекти. Результат: спалах високоефективного випромінювання, що вийшов з ядра галактики.
По суті, команда стверджує, що цей процес призвів би до короткого спалаху гамма-променів, не від злиття нейтронних зір, як зазвичай, а від злиття чорних дір у незвичному середовищі. Такий «вихід ударної хвилі» з диска створив би комптонізований (термалізований) гамма-спектр, який, що цікаво, відповідає спостереженням Swift: миттєве випромінення GRB було незвично м’яким (з низькою енергією фотонів) у порівнянні зі звичайними короткими гамма-спалахами.
Розширюючи можливості мультимесенджерної астрономії
Якщо підтвердиться ця асоціація гравітаційної хвилі та спалаху гамма-променів, це відкриє нову еру дослідження злиттів чорних дір як за допомогою «вух», так і «очей». Досі злиття подвійних чорних дір фіксувалися лише за допомогою гравітаційних хвиль; S241125n свідчить про те, що за спеціальних умов їх можна також побачити (у високоенергійному світлі). Це надасть багаті можливості для вивчення умов навколишнього середовища навколо чорних дір, що зливаються, та фізики формування струменів у щільних середовищах. Таке вимірювання з двома підходами може навіть уточнити наші оцінки космічного розширення, використовуючи подію як «стандартну сирену» (індикатор відстані за гравітаційною хвилею) з визначеним червоним зсувом галактики-господаря.
Ця подія також підкреслює важливість командної роботи в багатомесенджерній астрономії: детектори гравітаційних хвиль зафіксували «звук» злиття, гамма- та рентгенівські телескопи — його «спалах», і разом вони розповідають набагато повнішу історію, ніж кожен поодинці.
У міру того як астрономічна спільнота ретельно аналізує цю подію, нові дані можуть ще більше підтвердити цей випадок. Автори пропонують шукати характерні відбитки у сигналі гравітаційних хвиль, такі як залишковий орбітальний ексцентриситет із динамічного середовища диска AGN. Вони також радять проводити глибокі спостереження регіону, щоб знайти галактику-господаря (ймовірно, віддалену галактику з яскравим активним внутрішнім ядром).
Підсумовуючи, потенційне виявлення гамма-спалаху від злиття чорних дір є захопливим та несподіваним розвитком подій. Це свідчить про те, що за відповідних обставин навіть найтемніші космічні зіткнення можуть освітлювати Всесвіт. Через сім років після реєстрації першої події багатомесенджерної астрономії ця подія, що сталася приблизно на півдорозі через видимий Всесвіт і пов’язана зі злиттям чорних дір масою понад 100 сонячних, може стати наступним перспективним кандидатом для таких спостережень, відкриваючи нові можливості для вивчення космосу.
За матеріалами phys.org
