Запретный танец черных дыр: гравитационное линзирование объяснило «невозможное» слияние

«Запретное» слияние двух массивных черных дыр могло быть не таким невозможным, как считалось ранее. Согласно новому исследованию, участвовавшие в нем черные дыры были меньше, чем ожидалось.

23 ноября 2023 года детектор гравитационных волн LIGO (Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория) обнаружил крошечные ряби в пространстве-времени, вызванные слиянием двух черных дыр. Невероятным в этом сигнале, обозначенном GW231123, было то, что он, казалось, был результатом столкновения черной дыры с массой в 140 раз больше солнечной с другой, имеющей 100 солнечных масс.

Это вызвало недоумение среди исследователей, поскольку обычные модели звездной эволюции с трудом объясняют такие массивные черные дыры, особенно те, что, казалось, вращались так быстро, как эти две. Ученые пытались объяснить, как могла сформироваться такая странная двойная система черных дыр. Команда, стоящая за этим новым исследованием, предполагает, что объяснять вовсе не нужно. Они считают, что массы этих черных дыр были иллюзией.

Ключ к этой иллюзии — явление, называемое гравитационным линзированием, впервые предсказанное общей теорией относительности Альберта Эйнштейна 1915 года, которая также впервые предсказала существование гравитационных волн. Эта теория гласит, что объекты с массой вызывают искривление пространства и времени, объединенных в четырехмерную сущность под названием «пространство-время». Чем больше масса объекта, тем больше искривление, и поскольку гравитация возникает из этого искривления, тем больше гравитационное влияние.

Гравитационное линзирование происходит, когда свет от фонового объекта проходит мимо массивного объекта переднего плана. Объект переднего плана может искривить ткань пространства-времени таким образом, что путь света искривляется. Это означает, что свет от одного и того же фонового источника может достигать Земли в разное время, в зависимости от того, насколько этот свет был отклонен.

Эта разница во времени путешествия может увеличить фоновый источник, и это использовалось с большим эффектом для наблюдения далеких и древних галактик, обычно слишком тусклых, чтобы их увидеть.

Эта исследовательская команда считает, что эффект также применяется к гравитационным волнам, предполагая, что сигнал GW231123 является примером гравитационно-линзированных рябей в пространстве-времени, которые заставили черные дыры казаться больше, чем они есть на самом деле.

«Как и свет, гравитационные волны также могут отклоняться, увеличиваться и расщепляться на множество сигналов массивными объектами, — сказал в заявлении участник команды Мигель Зумалакарреги, руководитель группы в Департаменте астрофизической и космологической относительности Института Альберта Эйнштейна (AEI). — Для гравитационных волн дифракция и интерференция дают нам дополнительный способ идентифицировать и изучать линзированные сигналы».

Чтобы исследовать эту возможность, команда разработала математическую модель гравитационного линзирования и создала программное обеспечение, достаточно мощное и быстрое для его анализа.

«Если мы предположим, что GW231123 был отклонен и искажен компактным объектом массой около 190–850 солнечных масс — или протяженной структурой, такой как шаровое скопление, — мы можем понять наблюдаемые высокие массы, — сказала участница команды Срашти Гоял, работавшая в AEI во время исследования. — Более того, интерпретация с линзированием не требует необычно высоких спинов».

Когда команда смоделировала событие с учетом этого фактора, она обнаружила, что слияние включало систему массой 140 солнечных масс, а не систему в 240 солнечных масс, как предполагалось изначально.

Команда не совсем знает, какой массивный объект ответственен за линзирование гравитационно-волнового сигнала GW231123. Но каким бы он ни был, если команда права, линза может быть чем-то весьма особенным.

«Природа линзы остается главной загадкой в нашем анализе, поскольку отдельные компактные линзы массой от 100 до 1000 солнечных масс должны быть чрезвычайно редкими, — сказал Зумалакарреги. — Будущая работа должна установить, могут ли такие линзы формироваться, или ансамбль более легких объектов, включая звезды, может объяснить это событие».

Команда пока не может окончательно сказать, является ли GW231123 первым гравитационно-линзированным гравитационно-волновым сигналом. Для обнаружения будущих сигналов такого рода потребуются upgrades чувствительности детекторов вроде LIGO.

Но даже до этого исследование указывает на полезность гравитационно-волновой астрономии для изучения некоторых из самых жестоких событий Вселенной.

Исследование команды было опубликовано 25 августа в Astrophysical Journal Letters.

Космическая иллюзия: как гравитация обманывает астрономов

Сигнал GW231123 поставил физиков в тупик. Две черные дыры с массой 140 и 100 солнц, вращающиеся с невероятной скоростью, — такое сочетание противоречило всему, что мы знаем о формировании черных дыр.

Но что, если они не были такими массивными? Что, если мы видели их через космическую лупу?

Гравитационное линзирование — одно из самых элегантных предсказаний Эйнштейна. Массивный объект искривляет пространство-время, и свет (или гравитационные волны) огибает его, как вода огибает камень. В результате фоновый источник может казаться ярче, больше или даже раздваиваться.

Если команда Зумалакарреги права, GW231123 — не слияние двух гигантов, а слияние двух черных дыр поменьше, чей сигнал был усилен и искажен линзой. Это объясняет и массы, и спины, и странность события.

Но что за объект создал линзу? Компактный объект массой 190–850 солнечных масс — это нечто, что должно быть чрезвычайно редким. Возможно, это промежуточная черная дыра — elusive класс объектов, которые астрономы ищут десятилетиями. Или шаровое скопление. Или что-то, чего мы еще не понимаем.

Если GW231123 действительно линзирован, это открывает новую главу в гравитационно-волновой астрономии. Линзированные гравитационные волны могут стать инструментом для изучения распределения массы во Вселенной — независимо от света.

Пока это лишь гипотеза. Но она показывает, насколько мощным инструментом становятся гравитационные волны. Мы только начинаем использовать их для изучения космоса.

Источники: Astrophysical Journal Letters, заявления Мигеля Зумалакарреги и Срашти Гоял, данные LIGO.