Гравітаційні хвилі допомогли знайти першу чорну діру середньої маси

N. Fischer, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Max Planck Institute for Gravitational Physics), Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) Collaboration / MIT News

Лазерна інтерферометрична гравітаційно-хвильова обсерваторія та інтерферометр Virgo зафіксували першу чорну діру із середньою масою. Вона в 142 рази перевищує масу Сонця та утворилася внаслідок зіткнення двох чорних дір, які злилися в одну. Наразі це наймасивніше джерело гравітаційних хвиль. Дослідження описане у двох статтях у журналах Physical Review Letters та Astrophysical Journal Letters.

Що зафіксували вчені?

Астрономи зафіксували сигнал під назвою GW190521 за допомогою Лазерної інтерферометричної гравітаційно-хвильової обсерваторії (LIGO) та інтерферометра Virgo. Він був схожий на чотири коротких коливання і тривав менше однієї десятої секунди. Його джерело знаходиться на відстані 5 гігапарсеків від Землі. Цей сигнал був створений, коли вік Всесвіту був вдвічі меншим за сучайний. Отже, це джерело гравітаційних хвиль найвіддаленіше та наймасивніше серед усіх зафіксованих. Сигнал виник через злиття двох чорних дір з масами у 85 та 66 сонячних мас. У результаті виникла чорна діра, маса якої у 142 рази більша за сонячну, що робить її першою підтвердженою чорною дірою середньої маси.

Незабаром після фіксації гравітаційних хвиль астрономічне обстеження Zwicky Transient Facility виявило спалах світла неподалік від того місця. Він надходив приблизно з центру галактики. Тож можливо, що утворена в результаті чорна діра знаходиться саме тут, хоча відстані не зовсім збігаються.

У чому особливість цього джерела гравітаційних хвиль?

Усі знайдені до цього чорні діри відносяться двох категорій: чорні діри із зоряною масою, які в десятки разів масивніші за Сонце та утворюються при колапсі зірок, або ж надмасивні чорні діри, що знаходяться в центрі галактик. Їхня маса може становити від сотень тисяч до мільярдів сонячних мас. Чорна діра, маса якої більша за сонячну в 142 рази, знаходиться у проміжному діапазону маси між цими двома категоріями. Довгий час такі об’єкти були лише теоретичними.

Дві чорні діри, що її утворили, також також унікальні. Їхні зірки мали бути настільки масивними, що просто не змогли б сколапсувати у чорні діри. Коли фотони ядра таких зірок стають надзвичайно енергійними, вони можуть трансформуватися в електронну та антиелектронну пару. Ці пари генерують менше тиску, аніж фотони, внаслідок чого світило стає нестабільним під час гравітаційного колапсу. Спалах наднової, що виникає, настільки сильний, що не залишає від зірки нічого. Можливо, ці чорні діри утворилися внаслідок ієрархічного злиття менших чорних дір.

Чи є альтернативні пояснення сигналу?

У своїх роботах вчені коротко розглядають інші можливі джерела у Всесвіті, які могли б створити виявлений ними сигнал. Наприклад, можливо, гравітаційні хвилі випромінювали колапсуючі зірки у нашій галактиці. Сигнал міг би також надходити від космічної струни, що утворилася одразу після стадії інфляції у перші моменти життя Всесвіту. Втім, жодна з цих екзотичних можливостей не відповідає даним настільки ж точно, як злиття чорних дір.