Учеными впервые пойман гравитационный сигнал от слипшихся нейтронных звезд, утверждают источники в астрономическом сообществе. Сигнал, возможно, пойман детектором LIGO, который ранее зафиксировал аналогичные сигналы от черных дыр.
Сразу два события из области изучения гравитационных волн произошли накануне, причем второе, пока официально не подтвержденное, тянет на сенсацию. Группа британских и американских астрофизиков, возглавляемых Уиллом Фарром из Школы физики и астрономии Бирмингемского университета (Великобритания), в своей статье сумела описать, как уже имеющиеся наблюдения гравитационных волн ограничивают возможные сценарии образования черных дыр.
Уилл Фарр и его коллеги из Университета штата Мэриленд, Чикагского университета и Института теоретической физики им. Кавли (США) анализировали данные по вращению сливающихся черных дыр, добытые с помощью LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) — лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерваторией. Три подобных события зарегистрированы в 2015 году (GW150914, LVT151012, GW151226) и еще один возможный кандидат пришелся на 2017 год (GW170104).
Черные дыры — на самом деле очень простые объекты, полностью описывающиеся всего несколькими параметрами — массой, скоростью вращения и электрическим зарядом. Для пары черных дыр добавляется еще их взаимное вращение. И на скорость их вращения, конечно, накладывается естественное ограничение, поскольку горизонт событий — граница черной дыры для окружающего мира, из-под которой не может выбраться ни один материальный объект, даже свет, — не может вращаться быстрее скорости света.
В нашей галактике с помощью традиционных средств мы можем наблюдать лишь отдельные проявления деятельности черных дыр, вокруг которых вращаются звезды-компаньоны, однако только непосредственная регистрация гравитационных волн может нести критически важную информацию о их происхождении.
Первые гравитационные волны были зарегистрированы 14 сентября 2015 года двумя независимыми детекторами LIGO, расположенными в Ливингстоне (штат Луизиана, США) и Ханфорде (штат Вашингтон). Астрофизики долгие десятилетия с нетерпением ждали этого события. Они пришли к выводу, что волны испущены в последние доли секунды перед слиянием пары черных дыр, образовавших в результате более массивный и быстро вращающийся объект. До 2015 года возможность столкновения черных дыр была лишь предсказана, но никогда не наблюдалась непосредственным образом. Гравитационные волны, таким образом, представили лучший и пока единственный способ изучения популяций двойных черных дыр звездной массы за пределами нашей галактики.
Проблемой остается понимание механизмов астрофизического происхождения этих черных дыр.
Считается, что за время существования Вселенной в каждой галактике могут образоваться десятки миллионов пар черных дыр, однако большинство подобных систем либо быстро распадается, либо оказывается недостаточно тесными для того, чтобы произошло слияние за время, сопоставимое с возрастом Вселенной. Слияние как раз и происходит за счет того, что система теряет кинетическую энергию, переизлучая ее в виде гравитационных волн — массивные объекты постепенно падают друг на друга по спирали.
Если говорить о механизмах объединения черных дыр в связанные пары, то тут могут быть три основные возможности. Объекты могут изначально рождаться вместе в результате коллапса пары массивных звезд, прошедших совместно все стадии звездной эволюции. Собственные скорости вращения подобных черных дыр скорее всего будут относительно высокими, а орбитальный момент — коррелировать с осями вращения каждой звезды. А вот если собственное вращение объектов никак не согласовано с обращением одной черной дыры вокруг другой, то это может означать, что они рождались в разных местах и сближение происходит уже после того, как звезды стали черными дырами. Подобное может случаться в тесных звездных системах, например в шаровых скоплениях.
ще один вариант состоит в том, что часть черных дыр может оказаться первородными, то есть изначально присутствовать в нашей Вселенной со времен Большого взрыва — возникнуть вскоре после него благодаря первоначальным колебаниями плотности материи. Этот сценарий образования черных дыр имеет самые далеко идущие последствия с точки зрения космологии, поскольку первородные черные дыры могут принимать на себя изрядную долю скрытой массы.
Ну и в конце концов, может быть так, что разные механизмы реализуются с сопоставимыми вероятностями — тогда мы будем иметь случаи как относительно медленно вращающихся пар черных дыр, рожденных в «звездных теснинах», так и пар быстрых и согласованно вращающихся черных дыр, рожденных в рамках двойных (и кратных) звездных систем.
Согласно новым оценкам, приведенным в журнале Nature от 24 августа, с помощью всего лишь десяти дополнительных случаев наблюдения слияния черных дыр мы сможем с уверенностью говорить об основных механизмах происхождения двойных дыр. Ранее считалось, что для достижения такого уровня уверенности потребуется гораздо большее число наблюдений. Пока же результаты показывают, что мы, вероятно, имеем дело с несогласованным собственным вращением объектов в парах исследованных черных дыр, то есть слияния происходили у черных дыр, до своего объединения эволюционировавших в разных местах.
В сопроводительной статье в том же номере за авторством Стейна Сигурссона утверждается, что окончательная проверка основных теорий образования пар черных дыр,
вероятно, будет произведена в самом ближайшем будущем.
«Представляя два сценария наблюдаемого поведения пар черных дыр и исключая другие возможности, мы пытаемся подобрать лучшее объяснение образованию черных дыр», — говорит руководитель группы доктор Уилл Фарр из Бирмингемского университета.
«Мы будем знать, какое объяснение окажется правильным, в течение ближайших нескольких лет, — вторит ему профессор Илья Мандель из того же университета. — Это то, что становится возможным лишь благодаря недавнему обнаружению гравитационных волн с помощью LIGO. И это только начало. Я уверен, что в самом ближайшем будущем мы будем рассматривать эти первые случаи обнаружения гравитационных волн и рудиментарных моделей с изрядной ностальгией и намного лучше поймем, как формируются эти экзотические двойные системы».
Новые источники
Следующей важной вехой в регистрации гравитационных волн для ученых должно стать открытие аналогичных сигналов, пришедших от слияния не черных дыр, а нейтронных звезд. Сложность в том, что, по расчетам, амплитуда таких сигналов значительно ниже, а период волн значительно длиннее. Если гравитационная волна от двух слипшихся дыр имеет период в доли секунды, то волна от пары нейтронных звезд может иметь период, измеряемый часами. Поэтому для их регистрации требуется более высокая чувствительность.
Астрономы предполагали, что регистрация всплесков от слияния нейтронных звезд может быть получена уже в 2017 году.
Повышение чувствительности поиска ученые связывали с вводом в строй VIRGO — европейского детектора гравитационных волн вблизи итальянского города Пиза. Очередной цикл наблюдений начался в ноябре 2016 года, когда дальнейшее улучшение чувствительности детекторов позволило LIGO увеличить объем зондируемой Вселенной в 1,5–2 раза.
И похоже, надежды ученых сбываются. 18 августа астроном Крейг Уиллер из Университета Техаса в Остине намекнул в «Твиттере» о новом сигнале с LIGO, у которого удалось зафиксировать оптический компонент.
