Первое полное измерение отдачи черной дыры: гравитационные волны раскрывают новые тайны Вселенной

Команда исследователей под руководством Галисийского института физики высоких энергий (IGFAE) Университета Сантьяго-де-Компостела (Испания) впервые измерила скорость и направление отдачи новорожденной черной дыры, образовавшейся в результате слияния двух других. Результаты, опубликованные сегодня в журнале Nature Astronomy, открывают новые возможности для изучения самых экстремальных событий во Вселенной.

Гравитационные волны: новый инструмент астрофизики

Гравитационные волны (ГВ) — это искажения пространства-времени, распространяющиеся со скоростью света. Они несут информацию об источниках, которые их породили, предоставляя уникальные данные о явлениях, не испускающих свет (например, слияния черных дыр), и дополняя наши знания о процессах, которые свет излучают (таких как сверхновые или слияния нейтронных звезд).

Хотя Эйнштейн предсказал существование ГВ еще в 1916 году, их детектирование требует невероятно чувствительного оборудования и наблюдения за катастрофическими событиями, такими как слияния черных дыр. Первый успешный эксперимент состоялся лишь столетие спустя: в сентябре 2015 года детекторы Advanced LIGO зафиксировали сигнал GW150914 от слияния двух черных дыр массой около 30 солнечных. С тех пор обнаружено почти 300 подобных событий, что позволило начать изучение популяции черных дыр и проверку законов гравитации в экстремальных условиях.

Отдача черной дыры: космический «пинок»

Один из самых впечатляющих результатов слияния черных дыр — их отдача. Когда два объекта сливаются, результирующая черная дыра излучает ГВ неравномерно, что приводит к «отдаче», способной разогнать дыру до тысяч километров в секунду — скорости, достаточной для выброса из родной галактики.

Спустя десятилетие после первого обнаружения ГВ команда из Университета Сантьяго-де-Компостела, Пенсильванского государственного университета и Китайского университета Гонконга впервые измерила скорость и направление отдачи черной дыры, возникшей при событии GW190412 — слиянии двух неравных по массе черных дыр, зарегистрированном в 2019 году детекторами LIGO и Virgo.

Музыка космоса: как зафиксировать отдачу?

Профессор Хуан Кальдерон-Бустильо (IGFAE), ведущий автор исследования, поясняет: «Слияние черных дыр можно сравнить с оркестром, где каждый инструмент соответствует определенному типу сигнала. Однако в этом оркестре зрители, расположенные в разных точках, слышат разное сочетание звуков, что позволяет определить их позицию относительно источника». Анализ асимметрии в сигнале GW190412 позволил определить направление отдачи относительно Земли, орбитальный момент системы и линию разделения дыр перед слиянием.

Исследователи выяснили, что скорость отдачи превысила 50 км/с — достаточно для вылета из шарового скопления. «Наш метод, разработанный в 2018 году, позволил измерить отдачу с помощью текущих детекторов, тогда как другие подходы требовали технологий вроде LISA, которые появятся лишь через десятилетия», — отмечает Кальдерон-Бустильо.

Перспективы: гравитационные волны и электромагнитные сигналы

Измерение направления отдачи открывает путь к изучению слияний черных дыр через гравитационные и электромагнитные каналы одновременно. «В плотных средах, таких как активные ядра галактик, отскочившая черная дыра может генерировать вспышки, видимые в электромагнитном спектре», — комментирует Самсон Леонг, соавтор исследования из Китайского университета Гонконга. Определение ориентации отдачи поможет отличать истинные пары сигналов от случайных совпадений.

Следующая цель — применить метод к другим событиям, чтобы построить карту «побегов» черных дыр из галактик. Это позволит лучше понять их роль в эволюции Вселенной. Кроме того, объединение данных LIGO, Virgo и будущего детектора LISA повысит точность измерений, раскрывая детали, недоступные сегодня.