Науковці вперше в історії зуміли виміряти швидкість віддачі, що виникла внаслідок катаклізмічного зіткнення двох чорних дір. Це неймовірне досягнення дозволяє глибше зрозуміти динаміку одних із найзагадковіших об’єктів у Всесвіті.
Гравітаційні хвилі — це брижі простору-часу, існування яких вперше передбачив видатний фізик-теоретик Альберт Ейнштейн у своїй загальній теорії відносності. Ці хвилі, що поширюються зі швидкістю світла, були вперше безпосередньо виявлені у 2015 році, що стало епохальним підтвердженням ейнштейнівських передбачень. Чотири роки по тому, у 2019 році, вчені зафіксували гравітаційно-хвильовий сигнал, який став результатом надзвичайно бурхливого злиття двох чорних дір з дуже різними масами. Саме ця значна різниця в розмірах об’єктів призвела до того, що новонароджена чорна діра отримала потужний “космічний поштовх”, відскочивши у глибини Всесвіту.
Нещодавно астрономи розшифрували цей гравітаційно-хвильовий сигнал, відомий як GW190412. Їхні дослідження показали, що внаслідок зіткнення новостворена чорна діра була відкинута у простір зі швидкістю понад 50 кілометрів на секунду (приблизно 179 600 кілометрів на годину). Такої швидкості достатньо, щоб катапультувати її за межі первісного скупчення зірок. Про це революційне відкриття дослідники повідомили у статті, опублікованій 9 вересня в авторитетному науковому журналі Nature Astronomy.
“Це чудова демонстрація того, на що здатні гравітаційні хвилі”, — зазначив Коустав Чандра, співавтор дослідження та астрофізик з Університету штату Пенсільванія. Цей університет, розташований у США, є одним із провідних дослідницьких центрів світу, відомим своїми досягненнями у галузі астрофізики.
Сигнали зіткнень у глибинах космосу
Коли чорні діри стрімко рухаються одна до одної та стикаються, вони породжують гравітаційні хвилі. Проте, якщо одна чорна діра значно масивніша за іншу, гравітаційні хвилі, які вони створюють, виглядають абсолютно по-різному залежно від кута, під яким їх спостерігають.
Вивчаючи ці хвилі під різними кутами, дослідники можуть визначити напрямок “поштовху” — тієї сили, яка відкидає нову чорну діру. Потім швидкість цього поштовху можна точно обчислити, вимірявши співвідношення мас та обертання двох початкових чорних дір. Ця цінна інформація також може бути отримана шляхом детального аналізу гравітаційних хвиль.
Якщо віддача від такого космічного зіткнення достатньо сильна, щоб виштовхнути новостворену чорну діру зі свого зоряного скупчення, це унеможливлює подальші злиття цієї чорної діри з іншими. Такий сценарій відіграє визначальну роль у запобіганні формуванню надмасивних чорних дір, які можуть мати масу, що в 100 000 — 50 мільярдів разів перевищує масу нашого Сонця. Тому розуміння швидкості та напрямку цих “поштовхів” є надзвичайно важливим для простеження процесів формування надмасивних чорних дір, що знаходяться у центрах більшості галактик.
У 2018 році співавтор дослідження Хуан Кальдерон Бустільйо та його колеги з Університету Сантьяго-де-Компостела (Іспанія), розробили метод, як точно вимірювати ці космічні “поштовхи” на основі гравітаційно-хвильових сигналів. Тоді їхня модель базувалася на симуляціях, оскільки жодного реального злиття чорних дір, що призвело б до віддачі, ще не було зафіксовано.
Однак 12 квітня 2019 року детектори Advanced LIGO (Лазерно-інтерферометрична гравітаційно-хвильова обсерваторія) у Луїзіані та штаті Вашингтон (США), а також детектор Virgo в Італії, спільно зафіксували сигнал GW190412. Цей сигнал був результатом злиття двох чорних дір зоряної маси: одна мала масу у 29,7 рази більшу за Сонце, а інша — у 8,4 рази. Обсерваторії LIGO та Virgo — це передові наукові установки, які дозволяють вченим “слухати” космос, уловлюючи ледь помітні брижі простору-часу.
Попри те, що подія відбулася на відстані понад 2,4 мільярда світлових років від Землі, дослідники, використовуючи два кути спостереження відносно нашої планети, змогли визначити, куди саме був спрямований “поштовх” новонародженої чорної діри. Вона віддалилася від місця свого народження, ймовірно, густого скупчення зірок, відомого як кулясте скупчення, з вражаючою швидкістю 179 600 кілометрів на годину. Ця швидкість більш ніж достатня, щоб дозволити їй покинути скупчення і стати “чорною дірою-втікачем”.
“Це одне з небагатьох явищ в астрофізиці, де ми не просто щось виявляємо, — пояснив Чандра. — Ми реконструюємо повний тривимірний рух об’єкта, що знаходиться за мільярди світлових років, використовуючи лише брижі простору-часу”.
Наступні кроки команди будуть спрямовані на пошук нових злиттів чорних дір, які можна виміряти як за допомогою гравітаційних хвиль, так і видимого світла. Це дослідження може дати ще глибше розуміння того, як ці космічні велетні ростуть і розвиваються.
