LIGO, Virgo и KAGRA впервые наблюдали черные дыры «второго поколения»
В конце 2024 года международная коллаборация LIGO-Virgo-KAGRA сообщила о двух уникальных слияниях черных дыр, зарегистрированных с разницей всего в один месяц. Эти события, обозначенные как GW241011 и GW241110, предоставляют ученым беспрецедентные данные для понимания природы и эволюции самых мощных космических катаклизмов. Их анализ позволяет по-новому взглянуть на механизм образования черных дыр, проверить фундаментальные физические теории в экстремальных условиях и даже наложить ограничения на существование гипотетических элементарных частиц.
Первое событие, GW241011, было зафиксировано 11 октября 2024 года. Оно произошло на расстоянии примерно 700 миллионов световых лет от Земли и представляло собой слияние двух черных дыр массой около 17 и 7 масс Солнца. Ключевой особенностью этого события стало то, что более крупная черная дыра оказалась одной из самых быстро вращающихся среди всех когда-либо наблюдавшихся. Второе событие, GW241110, обнаруженное 10 ноября 2024 года, было еще более далеким — около 2,4 миллиардов световых лет. Массы черных дыр в этой системе оценивались в 16 и 8 солнечных масс. Его уникальность заключается в том, что основная, более массивная черная дыра вращалась в направлении, противоположном направлению орбитального движения пары. Это первый зафиксированный случай такого ретроградного вращения в подобной системе.
Оба этих события содержат убедительные свидетельства в пользу гипотезы о существовании черных дыр «второго поколения». Ученые указывают на два основных аргумента. Во-первых, в обеих системах наблюдается значительная асимметрия масс, где одна черная дыра почти вдвое тяжелее другой. Во-вторых, ориентация спинов (собственного момента вращения) более массивных черных дыр в каждом событии также соответствует такому сценарию.
Естественное объяснение этих аномалий — иерархическое слияние. Этот процесс предполагает, что наблюдаемые черные дыры сами являются продуктом предыдущих слияний меньших черных дыр. Подобные каскадные события с большей вероятностью происходят в очень плотных космических средах, таких как шаровые звездные скопления, где черные дыры часто сталкиваются и объединяются, формируя все более массивные объекты.
С научной точки зрения эти открытия имеют многогранное значение. Они служат мощной проверкой общей теории относительности Альберта Эйнштейна. Событие GW241011, в частности, было проанализировано с высокой точностью и показало превосходное согласие с решением Керра, которое математически описывает вращающиеся черные дыры. Быстрое вращение массивной черной дыры слегка деформирует ее, оставляя характерный отпечаток в гравитационных волнах, и этот отпечаток идеально соответствует предсказаниям. Более того, значительная разница в массах компонентов системы привела к появлению в гравитационно-волновом сигнале так называемых высших гармоник — своеобразных «обертонов», аналогичных тем, что возникают у музыкальных инструментов. Наблюдение одной из этих гармоник с исключительной четкостью в GW241011, лишь в третий раз в истории, подтверждает еще одно предсказание теории Эйнштейна.
Кроме того, быстро вращающиеся черные дыры, подобные обнаруженной в GW241011, стали инструментом для исследований в области физики элементарных частиц. Ученые используют их для проверки гипотез о существовании сверхлегких бозонов — гипотетических частиц, предсказываемых теориями, выходящими за рамки Стандартной модели. Согласно некоторым предположениям, такие частицы могли бы извлекать энергию вращения из черных дыр, замедляя их. Тот факт, что массивная черная дыра в системе GW241011 продолжает стремительно вращаться спустя миллиарды лет после своего образования, позволяет исключить широкий диапазон возможных масс для этих пока не открытых частиц.
Эти открытия были сделаны в рамках четвертого наблюдательного цикла (O4) всемирной сети детекторов LIGO-Virgo-KAGRA, который приближается к завершению. На сегодняшний день с помощью гравитационных волн было зафиксировано около 300 слияний черных дыр. Как подчеркивают ученые, каждое новое событие не только расширяет наши астрофизические знания, но и служит уникальной лабораторией для проверки фундаментальных законов физики в самых экстремальных условиях Вселенной.
Обнаружение систем вроде GW241011 и GW241110 не только бросает вызов существующим моделям формирования черных дыр, но и наглядно демонстрирует мощь международного сотрудничества в раскрытии самых неуловимых космических явлений. Дальнейшее повышение чувствительности детекторов обещает еще более глубокое проникновение в природу гравитации и эволюции черных дыр.