Ученые впервые зафиксировали столкновение черных дыр существенно разных масс

Исследователи из коллаборации LIGO-Virgo, объединяющей обсерватории, располагающиеся в США и Италии, впервые в истории наблюдений обнаружили столкновение между двумя черными дырами существенно разных масс. Это открытие послужит источником множества новых данных для астрофизики и гравитационной физики и может многое изменить в существующих представлениях. Свою работу ученые выложили на сервере препринтов arXiv, а также сделали доклад на собрании Американского физического общества.

Слабые колебания пространства-времени показали, что по крайней мере одна из черных дыр вращалась до слияния. Это дает астрономам ценную информацию об одной из немногих особенностей этих сложных для изучения объектов.

«Это исключительное событие», — подчеркивает автор работы Майя Фишбах, астрофизик из Чикагского университета в Иллинойсе. Все подобные слияния черных дыр, зафиксированные ранее, происходили с участием объектов одной массы, так что новые данные изрядно меняют и дополняют существующие модели.

Само событие, записанное как GW190412, произошло на расстоянии 2,4 миллиарда световых лет от нас и было зафиксировано 12 апреля 2019 года, а несколько дней назад исследователи завершили свою работу по его анализу. Согласно выкладкам ученых, одна из двух столкнувшихся черных дыр имела оценочную массу около 8,4 солнечной массы, а другая была в три с половиной раза больше, примерно 29,7 солнечной массы. Из-за такого дисбаланса пространство вокруг большей из них исказилось, в результате чего траектория другой черной дыры отклонилась от идеальной спирали. Это обнаруживается в возникающих в процессе такого «танца» гравитационных волнах.

В ранее фиксировавшихся столкновениях формировались волны, по форме схожие с линейной частотной модуляцией: мощность и частота их возрастали к моменту столкновения. Поскольку в тех случаях черные дыры имели одинаковую массу, они возвращались в одну и ту же относительную позицию на каждой орбите. Это приводит к тому, что частота гравитационных волн примерно вдвое превышает орбитальную частоту двойной системы, то есть время, которое требуется черным дырам, чтобы вращаться вокруг друг друга.

Но с GW190412 было иначе: гравитационные волны вели себя более сложным образом. Из-за того, что система имеет значительный дисбаланс массы, орбита становится неровной. Это создает вторую, более слабую частоту гравитационных волн, которая производит две разные частоты: можно представить их как две одновременно вибрирующие гитарные струны.

Такие выбивающиеся из общего ряда события предлагают физикам новые, более точные способы проверки теории гравитации Альберта Эйнштейна, Общей теории относительности. Диада частот, замеченная при слиянии, по сути, показывает разделение сигнала гравитационной волны на более раннюю часть и более позднюю: это разделение базируется на уравнениях, выводимых из Общей теории относительности. Расчеты деления сигналов совпадают с наблюдаемыми, что дает одни из самых надежных результатов этого теста на сегодня.

В частности, исследователи смогли использовать эти данные, чтобы рассмотреть «вращение» черных дыр. Более ранние сведения о гравитационных волнах не давали возможности подтвердить прежние наблюдения об этой особенности черных дыр, сделанные для подобных объектов, располагающихся в нашей Галактике.

Астрофизики надеются, что новые данные могут также пролить свет на то, как черные дыры образовались и как пришли на орбиту друг друга. Существующие модели формирования двойных черных дыр предполагают равные пары масс.
Новая информация поможет с большей точностью измерить расстояние события от Млечного Пути. Накопление многих таких измерений может дать новый способ, который позволит составить карту истории расширения Вселенной.