Вчені виявили наймасовіше злиття чорних дір в історії. Це титанічне зіткнення, яке «чути» у вигляді брижів у просторі-часі, що називаються гравітаційними хвилями, включає чорні діри настільки масивні, що це може поставити під сумнів сучасні моделі Всесвіту.
Злиття було виявлено мережею детекторів гравітаційних хвиль LIGO-Virgo-KAGRA (LVK) 23 листопада 2023 року під час четвертого спостережного запуску цих трьох чутливих лазерних інтерферометрів, розташованих у США, Італії та Японії.
Подія злиття, яка викликала дзвін простору-часу з цим гравітаційним хвильовим сигналом, позначеним як GW231123, стосувалась чорних дір- попередників з масами в 100 та 140 разів більшими за масу Сонця. Ці дві були настільки масивними, що коли вони злилися, вони створили «дочірню» чорну діру в 225 разів більшу за масу нашого Сонця, причому відсутня маса перетворилася на енергію, що викликала гравітаційні хвилі, що виникли з цієї бурхливої події.
До GW231123 наймасивніша чорна діра, утворена в результаті злиття та виявлена в гравітаційних хвилях, мала масу в 140 разів більшу за масу Сонця. Це було виявлено в 2021 році як сигнал GW190521.
«Це наймасивніша подвійна чорна діра, яку ми спостерігали за допомогою гравітаційних хвиль, і вона ставить справжній виклик нашому розумінню формування чорних дір», – йдеться у заяві Марка Ханнама з LVK та дослідника Кардіффського університету. «Чорні діри такої масивності заборонені стандартними моделями еволюції зірок».
«Одна з можливостей полягає в тому, що дві чорні діри в цій подвійній системі утворилися внаслідок попередніх злиття менших чорних дір».
Жахливі маси цих чорних дір — не єдине, що робить GW231123 такою цікавою. Сигнал, здається, вказує на те, що до злиття принаймні одна з чорних дір-попередників швидко оберталася. Можливо, настільки швидко, наскільки дозволяють закони фізики.
«Чорні діри, схоже, обертаються дуже швидко — близько до межі, дозволеної теорією загальної відносності Ейнштейна», — сказав член LVK Чарлі Хой з Портсмутського університету. «Це ускладнює моделювання та інтерпретацію сигналу. Це чудовий приклад для просування розвитку наших теоретичних інструментів».
Ще один рекорд побитий для LIGO та партнерів
Лазерна інтерферометрична гравітаційно-хвильова обсерваторія (LIGO) не новачок у створенні історії та побитті рекордів. У 2015 році її два детектори, розташовані в Лівінгстоні, штат Луїзіана, та Ханфорді, штат Вашингтон, вперше зафіксували гравітаційні хвилі.
Це відкриття сталося рівно через століття після того, як Ейнштейн вперше передбачив існування гравітаційних хвиль у своїй теорії гравітації, загальній теорії відносності, 1915 року.
Сигнал, який згодом став відомим як GW150914, був результатом злиття чорних дір, що створило дочірню чорну діру з масою приблизно в 62 рази більшою за масу Сонця.
З 2015 року до LIGO приєдналися детектори гравітаційних хвиль Virgo та детектор гравітаційних хвиль Kamioka (KAGRA). Ця результуюча співпраця вже виявила понад 300 злиттів чорних дір.
Понад 200 таких виявлень відбулося під час четвертого робочого запуску цих інструментів. Як би вражаюче це не було, велика маса та швидке обертання чорних дір, які зіткнулися, створивши GW231123, розширили межі технології виявлення гравітаційних хвиль і, можливо, також межі сучасних теоретичних моделей.
«Ця подія піднімає наші можливості в галузі інструментарію та аналізу даних на межу можливого на даний момент», — сказала Софі Біні, член LVK та дослідниця Каліфорнійського технологічного інституту (Caltech). «Це яскравий приклад того, скільки ми можемо навчитися з гравітаційно-хвильової астрономії — і скільки ще нам потрібно відкрити».
Повне розкриття секретів цього та інших сигналів, які LVK виявив до кінця свого четвертого робочого запуску в січні 2024 року, вимагатиме вдосконалення методів аналізу та інтерпретації.
«Спільноті знадобляться роки, щоб повністю розгадати цю складну схему сигналів та всі її наслідки», — сказав член команди LVK Грегоріо Карулло з Бірмінгемського університету. «Незважаючи на те, що найімовірнішим поясненням залишається злиття чорних дір, більш складні сценарії можуть бути ключем до розшифровки її несподіваних особливостей».
GW231123 було представлено на 24-й Міжнародній конференції із загальної теорії відносності та гравітації (GR24) та 16-й конференції Едоардо Амальді з гравітаційних хвиль у Глазго, Шотландія, у понеділок (14 липня).