Сотня сигналов из космоса: гравитационные обсерватории раскрывают тайны слияния черных дыр

Когда нейтронные звезды и черные дыры, эти самые плотные объекты во Вселенной, завершают свой гравитационный танец и сливаются воедино, они порождают рябь в ткани пространства-времени. Эти волны, несущие энергию колоссальных космических катаклизмов, путешествуют сквозь космос сотни миллионов и даже миллиарды лет, постепенно ослабевая. К тому моменту, когда они достигают Земли, их амплитуда становится настолько ничтожной, что зафиксировать ее кажется невозможным. И все же ученым это удается благодаря глобальной сети обсерваторий, которые неустанно вслушиваются в этот космический шепот. Американская Лазерная интерферометрическая гравитационно волновая обсерватория NSF LIGO, итальянский интерферометр Virgo и японский детектор Kamioka KAGRA объединили свои усилия в коллаборацию LVK, чтобы расшифровать сигналы, идущие из глубин Вселенной.

Недавно эта коллаборация представила миру свое самое масштабное на сегодняшний день исследование, опубликовав четвертый каталог гравитационно-волновых транзиентов известный как GWTC 4. Этот каталог, вошедший в специальный выпуск журнала Astrophysical Journal Letters, содержит данные, собранные в ходе четвертого сеанса наблюдений, который продолжался с мая 2023 года по январь 2024 года.

Всего за девять месяцев обсерваториям удалось зарегистрировать 128 новых кандидатов в гравитационные волны, что значительно превышает объем предыдущего каталога, в котором насчитывалось 90 событий за все три первых этапа наблюдений. Это открытие позволяет ученым говорить о настоящем калейдоскопе космических столкновений, отражающем невероятное разнообразие Вселенной. Как отмечает член коллаборации Нергис Мавалвала, декан Школы естественных наук Массачусетского технологического института, значительное повышение чувствительности детекторов и совершенствование методов анализа открывают перед наукой поистине прекрасные перспективы.

С момента первого исторического обнаружения гравитационных волн в 2015 году гравитационная астрономия сделала гигантский шаг вперед, превратившись из теоретической дисциплины в наблюдательную. Теперь, имея в своем распоряжении сотни зарегистрированных слияний черных дыр, ученые могут не просто фиксировать эти события, но и изучать популяцию черных дыр, исследовать эволюцию Вселенной и подвергать все более строгим проверкам общую теорию относительности Эйнштейна. Расширяя границы возможного, детекторы позволили заглянуть в те уголки космоса, где происходят процессы, ранее недоступные для наблюдения.

Черные дыры, образующиеся при коллапсе массивных звезд и обладающие чудовищной плотностью, часто существуют в двойных системах. Постепенно сближаясь по спирали под действием гравитации, они излучают энергию в виде гравитационных волн, пока не сливаются в одну еще более массивную черную дыру. Помимо столкновений черных дыр, детекторы способны улавливать и более редкие события, такие как слияния черных дыр с нейтронными звездами или пары нейтронных звезд, которые, в отличие от первых, могут также порождать световые вспышки, давая исследователям дополнительную информацию.

Новая подборка данных поражает не только количеством, но и разнообразием зарегистрированных систем. Среди них встречаются поистине уникальные объекты, заставляющие ученых пересматривать существующие теории. Например, сигнал под обозначением GW231123_135430 представляет собой самую тяжелую из когда либо обнаруженных двойных черных дыр. Каждая из сливающихся черных дыр обладала массой примерно в 130 раз превышающей массу Солнца, в то время как типичные черные дыры в таких системах имеют массу около 30 солнечных.

Астрофизики предполагают, что эти гиганты могли сами образоваться в результате предыдущих слияний более легких черных дыр, что указывает на многоступенчатый процесс их формирования. Другой необычный сигнал, GW231028_153006, исходил от системы с экстремально высокими спинами, где обе черные дыры вращаются с головокружительной скоростью, достигающей 40 процентов от скорости света. Высокая скорость вращения также может свидетельствовать об их происхождении из предыдущих слияний.

Коллекция черных дыр, собранная учеными, демонстрирует удивительное разнообразие их свойств. Как отмечает член коллаборации Джек Хайнцель, аспирант Массачусетского технологического института, одни черные дыры более чем в сотню раз тяжелее Солнца, другие всего в несколько раз. Одни вращаются с огромной скоростью, у других вращение практически не фиксируется. Понимание того, как формируются такие разные объекты, одна из ключевых задач современной астрофизики.

Например, сигнал GW231118_005626 представляет собой асимметричную пару, где одна черная дыра вдвое массивнее своей компаньонки, что также является редкостью. Изучая подобные аномалии, ученые начинают устанавливать связи между свойствами черных дыр и временем их существования. Так, анализ нового каталога укрепил предположение о том, что черные дыры, сталкивавшиеся на ранних этапах истории Вселенной, обладали гораздо большими значениями вращения, чем их более поздние собратья.

Новые данные служат не только для изучения самих черных дыр, но и для фундаментальной проверки физических теорий. Черные дыры, будучи одним из самых ярких предсказаний общей теории относительности Эйнштейна, при столкновении создают настолько сильные возмущения пространства времени, что это позволяет проверить теорию в самых экстремальных условиях, где она с наибольшей вероятностью может дать сбой.

Для такой проверки ученые использовали один из самых мощных и чистых сигналов, когда либо зарегистрированных, под названием GW230814_230901. Как поясняет член коллаборации Аарон Циммерман из Техасского университета в Остине, этот сигнал, несмотря на влияние шумов окружающей среды, позволил расширить границы тестирования и пока что теория Эйнштейна блестяще выдерживает все проверки, хотя ученые понимают необходимость еще более точных проверок.

Наконец, гравитационные волны открывают новый путь в космологии, позволяя по иному измерить скорость расширения Вселенной, так называемую постоянную Хаббла. Разные методы измерения этой постоянной до сих пор давали противоречивые результаты. Уникальность гравитационных волн заключается в том, что, анализируя сигнал от слияния черных дыр, ученые могут напрямую определить расстояние до источника. Таким образом, каждое такое слияние предоставляет независимое измерение постоянной Хаббла.

Проанализировав весь массив данных из каталога LVK, исследователи получили новую оценку, согласно которой Вселенная расширяется со скоростью 76 километров в секунду на мегапарсек. Хотя пока этот метод еще только набирает точность, ученые, такие как Рейчел Грей из Университета Глазго, с оптимизмом смотрят в будущее, ожидая, что по мере накопления новых данных точность этого метода будет неуклонно расти, приближая нас к разгадке одной из главных тайн современной физики. Каждое новое обнаружение, по словам Люси Томас из лаборатории LIGO Калифорнийского технологического института, позволяет сложить еще один фрагмент головоломки Вселенной способами, которые были немыслимы всего десятилетие назад.