Из всех объектов во Вселенной немногие столь же непостижимы, как черные дыры.
За последнее десятилетие обсерватории гравитационных волн открыли их в ошеломляющем разнообразии: гигантские черные дыры, гораздо массивнее, чем мы считали возможным; черные дыры, вращающиеся с головокружительной скоростью; и пары настолько несоразмерные, что ученые с трудом могли их объяснить.
Теперь, с публикацией последних данных о гравитационных волнах от коллаборации LIGO-Virgo-KAGRA, у астрономов наконец-то достаточно обнаружений, чтобы выйти за рамки изучения отдельных курьезов и приступить к настоящей переписи популяции черных дыр.
И вырисовывающаяся картина предполагает, что Вселенная обладает удивительно разнообразным набором методов построения черных дыр.
«Этот набор из почти 400 обнаружений гравитационных волн от LIGO и Virgo дает нам четкое указание на то, что наблюдаемые нами слияния двойных черных дыр формируются несколькими различными способами, — объясняет астрофизик Шаран Банагири из Университета Монаша и Австралийского центра передового опыта по открытию гравитационных волн (OzGrav). — Некоторые могут формироваться как одно гигантское газовое облако, которое коллапсирует, давая две массивные звезды, которые затем становятся черными дырами. Другие могут быть черными дырами, которые случайно встречаются друг с другом в плотных средах, называемых скоплениями, которые заполнены звездами. А третьи являются продуктом предыдущего поколения слияний между двумя черными дырами».
Черные дыры чрезвычайно трудно изучать. Они состоят из материи, упакованной настолько плотно, что их экстремальная гравитация искривляет пространство-время вокруг них в область, из которой даже свет в вакууме не может развить скорость, достаточную для достижения второй космической скорости.
Поскольку свет является основным инструментом, который мы используем для понимания Вселенной, это делает черные дыры недоступными для наших лучших методов обнаружения, но кое-что мы все же знаем.
Считается, что они образуются из коллапсирующих ядер массивных звезд, превышающих определенный порог массы, сжимаясь в объект настолько маленький, но настолько массивный, что гравитация полностью подавляет все другие известные силы.
Затем, в 2015 году, прорыв в науке о черных дырах прозвучал на всю Вселенную.
Это был первый случай, когда человечество обнаружило гравитационные волны — рябь пространства-времени от столкновения пары черных дыр, подобно волнам, расходящимся от камешка, брошенного в пруд.
С тех пор наша способность обнаруживать события гравитационных волн улучшилась, и количество обнаружений в новейшем каталоге гравитационных волн выросло до 390 — большинство из них приходится на столкновения пар черных дыр.
Это средняя скорость почти 40 обнаружений в год.
«С этим каталогом у нас теперь достаточно данных, чтобы мы могли начать разбираться в свойствах этих черных дыр и выяснять, откуда они взялись, — говорит астрофизик Максимилиано Иси из Института Флэтайрон Фонда Саймонса в США. — Мы также можем составить карту расширения Вселенной на протяжении ее истории, что является суперважным нерешенным вопросом в космологии прямо сейчас».
Каждый сигнал гравитационной волны можно проанализировать, чтобы определить свойства участвующих черных дыр. Это включает массы и спины двух сталкивающихся черных дыр, а также расчетную массу и спин более крупной черной дыры, образовавшейся в результате столкновения.
Новый каталог содержит ряд ключевых результатов, включая несколько рекордсменов. Есть самый четкий из когда-либо обнаруженных сигналов черной дыры, GW 250114, который позволил провести новые проверки теоретической физики. Другой сигнал, GW 240615dg, установил рекорд наилучшего определения местоположения на небе.
Но эти отдельные события меркнут по сравнению с тем, что раскрывают данные переписи.
«Сейчас мы обнаруживаем так много этих сигналов, что мы не просто узнаем об отдельных столкновениях; это астрономический эквивалент обнаружения древней цивилизации, — говорит астрофизик Дэниел Уильямс из Университета Глазго в Великобритании. — Сегодняшние новые результаты подобны находке ранее неизвестного клада, раскрывающего не только отдельные жизни, но и структуру целого потерянного мира».
Статистический анализ показывает, что массы черных дыр имеют тенденцию группироваться в две основные группы: 10 солнечных масс и 35 солнечных масс.
Первая, вероятно, происходит от нормальных двойных звезд, эволюционирующих вместе, но вторую труднее объяснить одной лишь стандартной звездной эволюцией.
Однако другие тенденции предполагают, что эти более крупные объекты могут быть «черными дырами второго поколения», которые увеличили массу в результате предыдущего столкновения между меньшими черными дырами. Такая последовательность столкновений называется иерархическим слиянием.
Поскольку столкновение может породить быстро вращающиеся остатки, быстрое вращение, превышающее ожидаемое, служит отпечатком пальца для этих иерархических слияний.
«Одна из самых захватывающих вещей, которые мы обнаружили в этих новых черных дырах, это то, что они вращаются очень быстро, — говорит Банагири. — Солнце совершает один оборот каждые 25 дней. Если бы оно превратилось в черную дыру и начало вращаться так же быстро, как те, что мы обнаружили, оно бы совершало несколько тысяч оборотов каждую секунду».
А двойные системы, которые эволюционировали вместе, как правило, должны иметь схожие массы — это означает, что столкновение от сильно несоразмерной двойной системы также могло включать черную дыру, являющуюся продуктом предыдущего слияния.
Вырисовывающаяся картина из последнего каталога показывает, что это, вероятно, так и есть — и она будет только становиться яснее.
Связанное: Физики смоделировали черную дыру в лаборатории, и она начала светиться
Первый сеанс наблюдений LIGO дал три обнаружения за четыре месяца — в среднем одно обнаружение каждые шесть недель.
Последний сеанс наблюдений принес три-четыре обнаружения в неделю.
«Мы больше не просто смотрим на отдельные аномалии; вместо этого мы видим настоящий калейдоскоп космических столкновений, — говорит астрофизик Эрик Трейн из Университета Монаша и OzGrav. — Мы раздвигаем границы известного, наблюдая объекты более массивные, вращающиеся быстрее и более необычные, чем когда-либо прежде».
Результаты были опубликованы в препринте на сайте LIGO.
Истории ScienceAlert написаны, проверены факты и отредактированы людьми, никогда не создавались ИИ. Не пропустите ни одной истории, подпишитесь здесь.
НАСА начинает первую фазу строительства своей лунной базы. Вот полный план.
JWST обнаружил опаленную звездой планету, похожую на Меркурий, но больше Земли
Что-то заставило расплавленное ядро Земли изменить направление вращения в 2010 году