Глибоко у космічних просторах, де час і простір сплітаються у неймовірні візерунки, вчені зафіксували рідкісне явище: дві пари злиття чорних дір, причому більші з них, ймовірно, є “другим поколінням” – ветеранами попередніх космічних зіткнень. Це відкриття проливає світло на формування та еволюцію цих загадкових об’єктів у Всесвіті.
Ці незвичайні небесні події, виявлені завдяки брижам у просторі-часі – гравітаційним хвилям, детально описані 28 жовтня у виданні «The Astrophysical Journal Letters». Гравітаційні хвилі – це збурення простору-часу, що поширюються зі швидкістю світла, породжувані рухом масивних об’єктів, таких як чорні діри, що зіштовхуються. Їхнє виявлення у 2015 році стало тріумфом науки, підтвердивши одну з найбільш дивовижних прогнозів загальної теорії відносності Альберта Ейнштейна.
Розпізнавальними ознаками стали подвійні сигнали: у кожному злитті більша чорна діра оберталася надзвичайно швидко і мала значно більшу масу, ніж її менший партнер, якого вона поглинала. Ці унікальні події були зареєстровані завдяки Співпраці LIGO-Virgo-KAGRA – міжнародній мережі детекторів гравітаційних хвиль, розташованих у різних куточках світу. Ці обсерваторії – Лазерний інтерферометричний гравітаційно-хвильовий обсерваторії (LIGO) у США, детектор Virgo в Італії та детектор KAGRA в Японії – синхронно працюють над спостереженням таких грандіозних космічних подій, як злиття чорних дір та нейтронних зірок.
Стівен Ферхерст, професор Кардіффського університету у Великій Британії та представник Наукової співпраці LIGO, зауважив, що отримані результати “надають спокусливі докази того, що ці чорні діри утворилися внаслідок попередніх злиттів чорних дір”. Кардіффський університет, що знаходиться в столиці Уельсу, є одним із провідних дослідницьких центрів Великої Британії, відомим своїми досягненнями в астрофізиці та гравітаційно-хвильовій астрономії.
Подвійні злиття відкривають нові горизонти
Дослідження ґрунтується на двох нещодавно виявлених злиттях, що відбулися лише з інтервалом в один місяць. Аналіз сигналів гравітаційних хвиль від цих подій дав змогу дослідникам визначити масу, обертання та віддаленість задіяних чорних дір.
Перша подія, зареєстрована 11 жовтня 2024 року, отримала назву GW241011. Вчені виявили злиття двох чорних дір – одна з яких мала масу, у шість разів більшу за сонце, а інша – у 20 разів. Це зіткнення відбулося приблизно за 700 мільйонів світлових років від Землі. Особливо вражаючим був факт, що більша з цих чорних дір виявилася однією з найшвидших, що обертаються, коли-небудь виявлених.
Друге злиття, назване GW241110, було зафіксовано 10 листопада 2024 року. У ньому брали участь чорні діри з масами у вісім та 17 разів більшими за сонце. Ця подія відбулася на ще більшій відстані – 2,4 мільярда світлових років. Тут також було виявлено унікальну властивість: більша чорна діра оберталася у напрямку, протилежному її орбіті, що раніше ніколи не спостерігалося.
Вчені підкреслюють, що кожне з цих злиттів мало незвичайні характеристики. Більша чорна діра в обох випадках була майже вдвічі більшою за меншу, а їхні обертання були нетиповими порівняно із сотнями інших злиттів, що спостерігалися за допомогою гравітаційних хвиль з моменту історичного першого виявлення LIGO у 2015 році.
Ієрархічні злиття та щільні зоряні скупчення
Дослідники припустили, що більша чорна діра в кожному злитті раніше вже поєдналася в процесі, який називають “ієрархічним злиттям”. Таке явище могло б відбуватися у надзвичайно щільних середовищах, наприклад, у зоряних скупченнях, де чорні діри часто зближуються одна з одною. Зоряні скупчення – це гравітаційно пов’язані групи зірок, які формуються з однієї гігантської молекулярної хмари. Їхня висока щільність сприяє частим взаємодіям між масивними об’єктами, що може призводити до таких послідовних злиттів чорних дір.
Астрофізик Джесс МакАйвер з Університету Британської Колумбії, що знаходиться у Ванкувері, Канада, і є одним із співавторів дослідження, заявила: “Це одне з наших найцікавіших відкриттів на сьогодні. Ці події переконливо свідчать про існування дуже щільних, активних ділянок Всесвіту, що зближують деякі мертві зірки”. Університет Британської Колумбії – це провідний дослідницький університет Канади, відомий своїми значними внесками у різні галузі науки, включаючи астрофізику.
Підтвердження теорій Ейнштейна та нові знання про частинки
Крім можливих знахідок чорних дір “другого покоління”, вчені зазначили, що ці два злиття підтвердили закони фізики, передбачені Альбертом Ейнштейном понад століття тому. Ці події також допомагають дослідникам дізнатися більше про елементарні частинки, що становлять основу матерії та взаємодій у Всесвіті.
Наприклад, подія GW241011 створила чіткий сигнал, який дозволив вченим спостерігати деформацію більшої чорної діри під час її швидкого обертання. Отриманий сигнал у гравітаційних хвилях точно відповідав теоріям Ейнштейна, а також математика Роя Керра щодо обертових чорних дір. Рой Керр – новозеландський математик, відомий своїм рішенням рівнянь поля Ейнштейна, що описує обертову чорну діру, яке відоме як метрика Керра.
Та сама подія також створила “гул” у сигналі гравітаційних хвиль. Цей “гул” виник через значну різницю в масі між більшою та меншою чорними дірами. За словами дослідників, він подібний до обертонів музичних інструментів. Це спостереження також допомогло підтвердити передбачення Ейнштейна, надаючи додаткові докази його геніальних теорій про гравітацію та структуру простору-часу.
