Обнаружено, что черные дыры и нейтронные звезды танцуют «овальный вальс» перед смертельным слиянием

Ученые обнаружили, что перед тем, как черные дыры сталкиваются с нейтронными звездами и сливаются, эти экстремальные звездные остатки могут кружить друг вокруг друга по овальным, а не по круговым орбитам. Это открытие демонстрирует еще один способ, которым черные дыры и нейтронные звезды раздвигают границы законов физики, и ставит под сомнение предположения о формировании и эволюции этих смешанных двойных систем.

Команда ученых поставила под сомнение предположения о том, что черные дыры и нейтронные звезды сближаются по круговым орбитам, когда изучала рябь в пространстве-времени, или гравитационные волны, которые исходили от такого «смешанного слияния». Сигнал от этого слияния, получивший название GW200105, был зарегистрирован детекторами гравитационных волн LIGO (Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория) и Virgo. Слияние произошло на расстоянии около 910 миллионов световых лет от нас, в результате чего образовалась дочерняя черная дыра массой примерно в 13 раз больше массы Солнца.

«Это открытие дает нам важные новые подсказки о том, как эти экстремальные объекты сходятся вместе», — заявила в своем сообщении участница команды Патриция Шмидт из Бирмингемского университета в Великобритании. «Это говорит нам о том, что наши теоретические модели неполны, и поднимает новые вопросы о том, в какой части Вселенной рождаются такие системы».

Ключом к открытию команды стала новая модель гравитационных волн, разработанная в Институте гравитационно-волновой астрономии Бирмингемского университета, которая позволила Шмидт и ее коллегам определить орбиты исходных объектов.

Это включало расчет того, насколько сильно черная дыра и нейтронная звезда, столкнувшиеся для создания этого сигнала гравитационной волны, колебались или «прецессировали» перед своим слиянием. Расчеты выявили отсутствие прецессии до слияния.

Это первый случай, когда такие характеристики были измерены для «смешанного слияния» между черной дырой и нейтронной звездой, которые являются звездными остатками, образующимися, когда массивные звезды «умирают» и подвергаются гравитационному коллапсу. Результаты намекают на влияние невидимого третьего объекта в этой системе.

«Орбита выдает все секреты. Ее эллиптическая форма непосредственно перед слиянием показывает, что эта система не развивалась спокойно в изоляции, а почти наверняка была сформирована гравитационными взаимодействиями с другими звездами или третьим компаньоном», — продолжила Шмидт.

Ранее, когда для исходных объектов этого слияния предполагалась круговая орбита, исследователи недооценивали массу черной дыры, считая, что она составляет около 9 масс Солнца, а масса нейтронной звезды — около 2 солнечных масс.

Новые расчеты с учетом эллиптической орбиты позволили уточнить параметры участников этого космического катаклизма. Оказалось, что черная дыра была массивнее, чем считалось изначально — ее масса действительно ближе к 13 солнечным, что меняет представление о соотношении масс в подобных двойных системах.

«Это убедительное доказательство того, что не все пары нейтронная звезда–черная дыра имеют одинаковое происхождение», — заявил участник команды Гонсало Моррас из Автономного университета Мадрида, Испания. «Эксцентричная орбита указывает на место рождения в среде, где множество звезд гравитационно взаимодействуют друг с другом».

Такими средами могут быть плотные звездные скопления, где звезды движутся хаотично и часто сближаются на опасные дистанции. В одиночестве, вдали от других светил, две звезды со временем, испуская гравитационные волны, действительно сближаются по спирали, и их орбита становится все более круглой. Но если рядом есть третье тело, его гравитация может «растянуть» орбиту, сделав ее эллиптической, что мы и наблюдаем в данном случае.

Результаты ученых указывают на то, что, вероятно, существует множество путей, ведущих к слиянию черных дыр и нейтронных звезд, а не один доминирующий канал формирования.

Это может помочь объяснить, почему астрономы все чаще наблюдают разнообразие в сливающихся двойных системах звездных остатков. Природа словно подчеркивает, что даже в таких экстремальных и смертоносных танцах нет места строгой хореографии — каждый случай уникален и зависит от космического окружения.

Результаты работы команды были опубликованы в среду (11 марта) в журнале Astrophysical Journal Letters.