Пояснення: дві чорні діри злилися мільярди років тому, але зараз це спантеличує вчених - Листопад 2022

LIGO і Virgo виявляють сигнали гравітаційних хвиль, що виділяються при злитті. Одна з двох батьківських чорних дір мала незвичайну проміжну масу, що кидає виклик традиційним науковим знанням. Що взагалі зрозуміло, і чим пояснюється цей незвичайний розмір?

злиття чорних дір, обсерваторія гравітаційних хвиль LIGO, відкриття злиття чорних дір, пояснення індійського експресуКонцепція художника, що ілюструє ієрархічну схему злиття чорних дір. (Кредит: LIGO/Caltech/MIT/R Hurt [IPAC])

Мільярди років тому зіткнення двох чорних дір спричинило гравітаційні хвилі, які прокотилися по Всесвіту. У 2019 році сигнали від цих хвиль були виявлено в обсерваторії гравітаційних хвиль LIGO (США) і детектор Virgo (Італія).





Проте, що схвилювало вчених, так це маса однієї з батьківських чорних дір, яка суперечить традиційним знанням про те, як утворюються чорні діри.

Відкриття та аналіз описані у двох наукових роботах. Один, в Листи з фізичними оглядами , деталізує відкриття та пропонує можливі способи, якими могло відбутися незвичайне злиття. Інший папір, в The Astrophysical Journal Letters , обговорює фізичні властивості сигналу.





Що саме було виявлено?

Це був сигнал від гравітаційної хвилі, відносно нової області відкриттів. Гравітаційні хвилі — це невидимі брижі, що утворюються, коли зірка вибухає в надновій; коли дві великі зірки обертаються одна навколо одної; і коли дві чорні діри зливаються. Подорожуючи зі швидкістю світла, гравітаційні хвилі стискають і розтягують все на своєму шляху.



Гравітаційні хвилі були запропоновані Альбертом Ейнштейном у його Загальній теорії відносності понад століття тому. Однак лише в 2015 році була фактично виявлена ​​перша гравітаційна хвиля — LIGO. З тих пір було проведено ряд подальших виявлення гравітаційних хвиль.

Сигнал, виявлений на LIGO і Virgo, як описано LIGO Collaboration, нагадував чотири коротких коливання і тривав менше однієї десятої секунди.



Звідки воно взялося?

Подальший аналіз показав, що GW190521, швидше за все, був створений в результаті злиття двох чорних дір. Сигнал, ймовірно, представляв момент, коли вони злилися. Було підраховано, що він потрапив на відстані приблизно 17 мільярдів світлових років і з того часу, коли Всесвіт був приблизно вдвічі молодшим.



Але ці висновки викликали додаткові запитання. Одна з двох чорних дір, що зливаються, потрапляє в проміжний діапазон мас — невідповідність, яку неможливо пояснити традиційними знаннями про те, як утворюються чорні діри.

Чому це незвично?



Усі чорні діри, які спостерігалися на даний момент, належать до однієї з двох категорій. Одна категорія коливається від кількох сонячних мас (одна сонячна маса — це маса нашого Сонця) до десятків сонячних мас. Вважається, що вони утворюються, коли вмирають масивні зірки.

Інша категорія — надмасивні чорні діри. Вони коливаються від сотень тисяч до мільярдів разів більше, ніж у нашого сонця.



Згідно з традиційними знаннями, зірки, які можуть народжувати чорні діри від 65 до 120 сонячних мас, цього не роблять — зірки в цьому діапазоні розриваються, коли вмирають, не руйнуючись у чорну діру.

Але під час злиття, що призвело до сигналу GW190521, більша чорна діра мала 85 мас Сонця — добре в межах цього несподіваного діапазону, відомого як розрив мас нестабільності пари. Це перша чорна діра середньої маси, яку коли-небудь спостерігали. (Насправді, менша чорна діра також є прикордонною, має 66 мас Сонця.)

Обидва злилися, щоб створити нову чорну діру приблизно 142 сонячних мас. Енергія, еквівалентна восьми сонячним масам, була вивільнена у вигляді гравітаційних хвиль, що призвело до найсильнішої хвилі, виявленої вченими на даний момент.

Як могла утворитися чорна діра незвичайної маси?

Дослідники припускають, що чорна діра з масою 85 Сонця не була продуктом зірки, що руйнується, а сама була результатом попереднього злиття. Утворена в результаті зіткнення двох чорних дір, імовірно, що нова чорна діра потім злилася з чорною дірою масою 66 сонячних, що призвело до гравітаційних хвиль і сигналу, отриманого LIGO і Virgo.