Теперь исследователи обнаружили сигнал от, возможно, самого массового слияния черных дыр, которое когда-либо наблюдалось в гравитационных волнах. Результатом слияния стало первое четкое обнаружение черной дыры "промежуточной массы" с массой от 100 до 1000 раз больше массы Солнца.
Они обнаружили сигнал, который они обозначили как GW190521, 21 мая 2019 года с помощью лазерной интерферометрической обсерватории гравитационных волн (LIGO) Национального научного фонда, пары идентичных 4-километровых интерферометров в Соединенных Штатах; и Дева, детектор длиной 3 километра в Италии.
Сигнал, напоминающий четыре коротких покачивания, очень короткий по длительности, менее одной десятой секунды. Из того, что могут сказать исследователи, GW190521 был создан источником, находившимся на расстоянии примерно 5 гигапарсеков, когда Вселенная была примерно вдвое моложе, что делало ее одним из самых далеких источников гравитационных волн, обнаруженных до сих пор.
Что касается того, что произвело этот сигнал, на основе мощного набора современных вычислительных инструментов и инструментов моделирования ученые считают, что GW190521, скорее всего, был сгенерирован в результате слияния бинарных черных дыр с необычными свойствами.
На сегодняшний день почти каждый подтвержденный сигнал гравитационных волн был получен в результате слияния двух черных дыр или двух нейтронных звезд.
Это новейшее слияние, по-видимому, является самым массовым на сегодняшний день, в нем участвуют две вдохновляющие черные дыры с массами примерно в 85 и 66 раз больше массы Солнца.
Команда LIGO-Virgo также измерила вращение каждой черной дыры и обнаружила, что по мере того, как черные дыры вращались все ближе друг к другу, они могли вращаться вокруг своих собственных осей под углами, которые не совпадали с осью их орбиты.
Неравномерное вращение черных дыр, вероятно, привело к колебанию их орбит или "прецессии", когда два Голиафа по спирали приближались друг к другу.
Новый сигнал, вероятно, представляет момент слияния двух черных дыр.
Слияние создало еще более массивную черную дыру с массой около 142 солнечных и высвободило огромное количество энергии, эквивалентное примерно 8 массам Солнца, которое распространилось по Вселенной в виде гравитационных волн.
«Это не очень похоже на щебетание, которое мы обычно обнаруживаем», – говорит член Девы Нельсон Кристенсен, исследователь Французского национального центра научных исследований (CNRS), сравнивая сигнал с первым обнаружением гравитационных волн LIGO в 2015 г. "Это больше похоже на то, что звучит как" взрыв ", и это самый мощный сигнал, который когда-либо видели LIGO и Дева."
Международная группа ученых, из которых состоит LIGO Scientific Collaboration (LSC) и Virgo Collaboration, сообщила о своих выводах в двух опубликованных сегодня статьях. Один, появившийся в Physical Review Letters, подробно описывает открытие, а другой в The Astrophysical Journal Letters обсуждает физические свойства сигнала и астрофизические последствия.
«LIGO снова удивляет нас не только обнаружением черных дыр в размерах, которые трудно объяснить, но и использованием методов, которые не были разработаны специально для слияния звезд», – говорит Педро Марронетти, программный директор по гравитационной физике в National Science. Фонд. "Это имеет огромное значение, поскольку демонстрирует способность инструмента обнаруживать сигналы от совершенно непредвиденных астрофизических событий. LIGO показывает, что он также может наблюдать неожиданные."
В разрыве масс
Уникально большие массы двух вдохновляющих черных дыр, а также последней черной дыры поднимают множество вопросов относительно их образования.
Все черные дыры, наблюдаемые на сегодняшний день, подпадают под одну из двух категорий: черные дыры звездных масс, которые измеряются от нескольких масс Солнца до десятков масс Солнца и, как считается, образуются, когда массивные звезды умирают; или сверхмассивные черные дыры, такие как та, что находится в центре галактики Млечный Путь, которых от сотен тысяч до миллиардов раз больше, чем у нашего Солнца.
Однако последняя черная дыра с массой 142 солнечных, образованная в результате слияния GW190521, находится в промежуточном диапазоне масс между звездной массой и сверхмассивными черными дырами – первая подобная черная дыра, когда-либо обнаруженная.
Две черные дыры-прародители, которые породили последнюю черную дыру, также кажутся уникальными по своим размерам. Они настолько массивны, что ученые подозревают, что одна или обе из них, возможно, образовались не из коллапсирующей звезды, как это делают большинство черных дыр звездной массы.
Согласно физике звездной эволюции, внешнее давление фотонов и газа в ядре звезды поддерживает ее против силы тяжести, толкающей внутрь, так что звезда остается стабильной, как Солнце. После того, как ядро массивной звезды сплавляет ядра тяжелые, как железо, оно больше не может производить давление, достаточное для поддержки внешних слоев.
Когда это внешнее давление меньше силы тяжести, звезда коллапсирует под собственным весом в результате взрыва, называемого сверхновой с коллапсом ядра, который может оставить после себя черную дыру.
Этот процесс может объяснить, как звезды массой 130 масс Солнца могут образовывать черные дыры массой до 65 масс Солнца.
Но считается, что для более тяжелых звезд возникает явление, известное как "парная нестабильность". Когда фотоны ядра становятся чрезвычайно энергичными, они могут трансформироваться в пару электронов и антиэлектронов. Эти пары создают меньшее давление, чем фотоны, из-за чего звезда становится нестабильной против гравитационного коллапса, и в результате взрыв достаточно силен, чтобы ничего не оставлять после себя.
Даже более массивные звезды с массой более 200 солнечных масс в конечном итоге схлопнулись бы прямо в черную дыру с массой не менее 120 солнечных. Таким образом, коллапсирующая звезда не должна образовывать черную дыру с массой примерно от 65 до 120 солнечных масс – диапазон, известный как «разрыв масс парной нестабильности."
Но теперь более тяжелая из двух черных дыр, которые дали сигнал GW190521, с массой 85 солнечных, является первой, обнаруженной на данный момент в пределах разрыва масс парной нестабильности.
«Тот факт, что мы видим черную дыру в этом массовом разрыве, заставит многих астрофизиков почесать головы и попытаться выяснить, как были созданы эти черные дыры», – говорит Кристенсен, директор лаборатории Артемиды в Обсерватория Ниццы во Франции.
Одна из возможностей, которую исследователи рассматривают во второй статье, – это иерархическое слияние, при котором две исходные черные дыры сами могли образоваться в результате слияния двух меньших черных дыр, а затем мигрировать вместе и, в конечном итоге, слиться.
«Это событие вызывает больше вопросов, чем дает ответов», – говорит член LIGO Алан Вайнштейн, профессор физики Калифорнийского технологического института. "С точки зрения открытий и физики это очень увлекательная вещь."
"Что-то неожиданное"
Остается еще много вопросов по GW190521.
Пока детекторы LIGO и Virgo отслеживают гравитационные волны, проходящие через Землю, автоматические поисковые системы просматривают входящие данные в поисках интересных сигналов. Эти поиски могут использовать два разных метода: алгоритмы, которые выделяют определенные волновые структуры в данных, которые могли быть созданы компактными двоичными системами; и более общие "взрывные" поиски, которые, по сути, ищут что-то необычное.
Член LIGO Сальваторе Витале, доцент кафедры физики Массачусетского технологического института, сравнивает компактный двоичный поиск с «прохождением гребенки через данные, которые будут улавливать объекты с определенным интервалом», в отличие от пакетных поисков, которые в большей степени являются «всеобъемлющим» подходом.
В случае с GW190521 это был поиск пакетов, который уловил сигнал немного более четко, открывая очень небольшой шанс того, что гравитационные волны возникли из чего-то иного, чем бинарное слияние.
«Планка для утверждения, что мы открыли что-то новое, очень высока», – говорит Вайнштейн. "Поэтому мы обычно применяем бритву Оккама: более простое решение – лучшее решение, которое в данном случае представляет собой двоичную черную дыру."
Но что, если что-то совершенно новое произвело эти гравитационные волны??
Это заманчивая перспектива, и в своей статье ученые кратко рассматривают другие источники во Вселенной, которые могли дать обнаруженный ими сигнал. Например, возможно, гравитационные волны были испущены коллапсирующей звездой в нашей галактике. Сигнал также мог исходить от космической струны, созданной сразу после того, как Вселенная раздувалась в самые ранние моменты ее существования – хотя ни одна из этих экзотических возможностей не соответствует данным, а также двоичному слиянию.
«С тех пор, как мы впервые включили LIGO, все, что мы с уверенностью наблюдали, было столкновением черных дыр или нейтронных звезд», – говорит Вайнштейн. «Это единственное событие, в котором наш анализ допускает возможность того, что это событие не является таким столкновением.
Хотя это событие согласуется с исключительно массовым слиянием бинарных черных дыр и альтернативные объяснения не одобряются, оно раздвигает границы нашей уверенности. И это потенциально делает его чрезвычайно захватывающим. Потому что все мы надеялись на что-то новое, неожиданное, что могло бы бросить вызов тому, что мы уже узнали. Это событие может сделать это."
Это исследование финансировалось U.S. Национальный научный фонд.