Таємниця зіткнення велетнів - об’єднання; надмірна вага; Чорні діри суперечать
Злиття чорних дір із «надмірною вагою» суперечить сучасним моделям
Запис і загадка одночасно: Астрономи виявили незвичну та поки унікальну подію гравітаційної хвилі. Оскільки і початкові об'єкти цього злиття, і отримана чорна діра важчі, ніж будь-що спостережуване раніше - і важчі, ніж дозволяють сучасні моделі. Завдяки 142 сонячним масам об’єкт, створений під час зіткнення, також може бути першою чітко доведеною проміжною чорною дірою.
Астрономи вже відстежували десятки злиттів чорних дір за допомогою гравітаційних хвиль, включаючи зіткнення між дуже нерівними партнерами, такими як чорні діри різного розміру або чорна діра з нейтронною зіркою. Однак у більшості випадків маса задіяних предметів була такою ж, як і у зоряних чорних дір. Ці особливості, створені надновими, можуть, згідно з чинною доктриною, об'єднати максимум 65 сонячних мас.
GW190521: Вибух замість Чірпа
Але зараз детектори обсерваторій LIGO та Діви вловили сигнал гравітаційної хвилі, який, здається, порушує всі правила. Сигнал GW190521, виявлений 21 травня 2019 року, складав лише близько десятої секунди і складався з чотирьох циклів коливань - це відповідає останнім двом орбітам двох чорних дір до їх злиття.
Однак, що було незвично, це висока інтенсивність і низька частота вібрацій, що свідчило про злиття двох особливо масивних об’єктів. "Цей сигнал був меншим, ніж ми зазвичай чуємо, як справжній" вибух "- це наймасштабніший сигнал, який LIGO і Діва коли-небудь спостерігали", - говорить Нельсон Крістенсен з французького національного дослідницького центру CNRS.
Більш масивний, ніж будь-що раніше
З особливостей GW190521 дослідники роблять висновок, що ці гравітаційні хвилі, мабуть, походили від злиття двох особливо масивних чорних дір. "Більший важив близько 85 сонячних мас, менший був ближче до 66 сонячних мас", - повідомляє LIGO. «Отже, обидві чорні діри набагато масивніші, ніж будь-яка з раніше виявлених Дівою та LIGO». Продукт цього злиття також є величезним гігантом: отримана чорна діра має близько 142 сонячних мас.
Таким чином, GW190521 - це об'єднання з найбільшою загальною масою, яку коли-небудь спостерігали. Енергія, що виділяється при цьому зіткненні, була відповідно великою: гравітаційні хвилі мали енергетичний еквівалент семи сонячним масам. Це зробило їх досить "голосними", щоб дістатися до нас навіть з величезної відстані. Злиття двох чорних дір відбулося близько семи мільярдів років тому - тоді Всесвіт був удвічі меншим віку, ніж сьогодні.
Перше свідчення проміжної чорної діри?
Подія GW190521 змушує фізиків вимагати пояснень з кількох аспектів. Оскільки маса його акторів є рекордною, унікальною на сьогоднішній день і суперечить загальноприйнятим теоріям. "Ця подія викликає більше запитань, ніж відповідає", - говорить член LIGO Алан Вайнштейн з Каліфорнійського технологічного інституту. "З точки зору фізики, це дуже захоплююча річ".
Перша загадка - це чорна діра, яка утворилася під час злиття: із 142 сонячними масами вона лежить у проміжній області між зоряними чорними дірами та надмасивними чорними дірами ядер галактики. Астрономи давно підозрювали, що повинні існувати проміжні чорні діри, які заповнюють цю прогалину від 100 до 100 000 сонячних мас. Але поки що є кілька кандидатів у цей клас - але чітких доказів все ще не було.
"Зараз ми маємо докази існування цих проміжних чорних дір", - говорить Крістофер Беррі з Північно-Західного університету в Еванстоні.
Складніше, ніж дозволяє теорія
Другу загадку накладає один з двох попередників цієї проміжної чорної діри: при 85 сонячних масах вона знаходиться в діапазоні мас, в якому насправді не може бути зоряних чорних дір. Згідно з сучасними моделями, наднові утворюють чорні діри з максимум 65 сонячними масами. З іншого боку, якщо стартова зірка важча за 200 сонячних мас, вона не вибухає, а руйнується безпосередньо до чорної діри - вона має принаймні 120 сонячних мас.
Це означає: в діапазоні від 65 до 120 мас Сонця є розрив, в якому не повинно бути чорних дір - астрофізики називають це розривом пари. Але саме в цьому розриві лежить важчий із двох попередніх об'єктів GW190521. "Той факт, що ми бачимо чорну діру посеред цієї масової прірви, порушить питання багатьох астрофізиків, як така чорна діра могла виникнути", - говорить Крістенсен.
Посилання на ієрархічне злиття?
А відповідь? "GW190521 припускає, що зірки можуть створювати настільки важкі чорні діри, або що деякі чорні діри, які спостерігали LIGO та Діва, утворювались по-іншому - можливо, як результат попереднього злиття", - пояснює співпраця LIGO. Тоді GW190521 буде прикладом ієрархічних злиттів, які до цього часу лише теоретично постулювались - зіткнення чорних дір, які в свою чергу також були результатом злиття.
Такі серії все більш масових злиттів можуть відбуватися там, де багато зірок, близьких одна до одної, досягають кінця свого життєвого циклу і стають чорними дірами через наднові - наприклад, в скупченнях зірок або в щільних центрах галактик. Там сила тяжіння надмасивної чорної діри могла квазі утримати ці об’єкти в полоні і, таким чином, спровокувати серійні злиття.
Поки незрозуміло, як сталася гравітаційна хвиля GW19052 і як виникли її актори. Питання про те, чи є чорні діри цієї маси космічними відхиленнями або представляють лише складний кінець раніше відомого спектру мас, досі не з’ясовано. "Сподіваємось, коли ми проаналізуємо всі злиття чорних дір, які LIGO і Діва спостерігали під час третього циклу спостережень, ми дізнаємось більше", - говорить Карстен Данцманн з Інституту гравітаційної фізики Макса Планка. (Фізичні оглядові листи, Листи астрофізичного журналу)
Джерело: LIGO Collaboration and Virgo Collaboration, Інститут гравітаційної фізики Макса Планка