|
Доказательства существования черных дыр второго поколения
|
|
|
|
В статье, опубликованной в Astrophysical Journal Letters, международная коллаборация LIGO-Virgo-KAGRA сообщает об обнаружении двух гравитационно-волновых явлений в октябре и ноябре 2024 года с необычным вращением черных дыр. Это наблюдение вносит новый важный вклад в наше понимание самых неуловимых явлений во Вселенной. Гравитационные волны - это "рябь" в пространстве-времени, возникающая в результате катаклизмов в глубоком космосе, причем самые сильные волны возникают при столкновении черных дыр.
|
|
|
|
Используя сложные алгоритмические методы и математические модели, исследователи могут реконструировать многие физические характеристики обнаруженных черных дыр на основе анализа гравитационных сигналов, таких как их массы и расстояние до места события от Земли, и даже скорость и направление их вращения вокруг своей оси, называемое спином.
|
|
|
|
Первое слияние, обнаруженное 11 октября 2024 года (GW241011), произошло примерно в 700 миллионах световых лет от Земли и стало результатом столкновения двух черных дыр, масса которых примерно в 17 и семь раз превышает массу Солнца. Было измерено, что более крупная из двух черных дыр в GW241011 является одной из самых быстро вращающихся черных дыр, наблюдаемых на сегодняшний день.
|
|
|
|
Почти месяц спустя, 10 ноября 2024 года, была обнаружена GW241110, которая находилась на расстоянии около 2,4 миллиарда световых лет и представляла собой слияние черных дыр, примерно в 16 и восемь раз превышающих массу Солнца. В то время как большинство наблюдаемых черных дыр вращаются в том же направлении, что и их орбита, было отмечено, что первичная черная дыра GW241110 вращается в направлении, противоположном ее орбите, — это первый случай в своем роде.
|
|
|
|
|
|
|
"Каждое новое обнаружение дает важную информацию о Вселенной, напоминая нам о том, что каждое наблюдаемое слияние является не только астрофизическим открытием, но и бесценной лабораторией для изучения фундаментальных законов физики", - говорит соавтор статьи Карл-Йохан Хастер, доцент кафедры астрофизики Университета Невады в Лас-Вегасе (UNLV).
|
|
|
|
"Подобные двойные системы были предсказаны на основе более ранних наблюдений, но это первое прямое доказательство их существования".
|
|
|
|
Интересно, что оба обнаружения указывают на возможность существования черных дыр "второго поколения".
|
|
|
|
"GW241011 и GW241110 являются одними из самых необычных событий среди нескольких сотен, которые наблюдала сеть LIGO-Virgo-KAGRA", - говорит Стивен Фэрхерст, профессор Кардиффского университета и представитель научного сотрудничества LIGO.
|
|
|
|
"Поскольку в обоих случаях наблюдалась одна черная дыра, которая была значительно массивнее другой и быстро вращалась, они являются убедительным доказательством того, что эти черные дыры образовались в результате предыдущих слияний черных дыр".
|
|
|
|
Ученые указывают на определенные признаки, в том числе на разницу в размерах черных дыр при каждом слиянии — более крупная была почти вдвое больше меньшей — и на ориентацию вращения более крупной из черных дыр в каждом случае. Естественным объяснением этих особенностей является то, что черные дыры являются результатом более ранних слияний.
|
|
|
|
Этот процесс, называемый иерархическим слиянием, предполагает, что эти системы сформировались в плотных средах, в регионах, подобных звездным скоплениям, где черные дыры с большей вероятностью сталкиваются друг с другом и сливаются снова и снова.
|
|
|
|
"Эти данные подчеркивают исключительные возможности наших глобальных гравитационно-волновых обсерваторий", - говорит Джанлука Джемме, представитель коллаборации Virgo.
|
|
|
|
"Необычные конфигурации вращения, наблюдаемые в GW241011 и GW241110, не только бросают вызов нашему пониманию формирования черных дыр, но и являются убедительным доказательством иерархических слияний в плотных космических средах: они учат нас, что некоторые черные дыры существуют не просто как изолированные партнеры, но, вероятно, как члены плотной и динамичной толпы.
|
|
|
|
- Эти открытия подчеркивают важность международного сотрудничества в раскрытии самых неуловимых явлений во Вселенной".
|
|
|
|
Гравитационные волны были впервые предсказаны Альбертом Эйнштейном в рамках его общей теории относительности в 1916 году, но их присутствие, хотя и было доказано в 1970—х годах, не было непосредственно обнаружено учеными всего 10 лет назад, когда научные коллаборации LIGO и Virgo объявили об обнаружении волн в результате черной дыры. слияние дыр.
|
|
|
|
Сегодня LIGO-Virgo-KAGRA - это всемирная сеть передовых гравитационно-волновых детекторов, которая близка к завершению своего четвертого цикла наблюдений, O4.
|
|
|
|
Текущий цикл наблюдений начался в конце мая 2023 года и, как ожидается, продлится до середины ноября этого года. На сегодняшний день с помощью гравитационных волн было обнаружено около 300 слияний черных дыр, включая кандидатов, выявленных в ходе продолжающегося эксперимента O4, которые ожидают окончательной проверки.
|
|
|
|
Кроме того, в случае с объявленным сегодня наблюдением точность, с которой был измерен GW241011, также позволила проверить ключевые предсказания общей теории относительности Эйнштейна в экстремальных условиях.
|
|
|
|
На самом деле, это событие можно сравнить с предсказаниями теории Эйнштейна и решением математика Роя Керра для вращающихся черных дыр. Быстрое вращение черной дыры слегка деформирует ее, оставляя характерный отпечаток в гравитационных волнах, которые она излучает.
|
|
|
|
Проанализировав GW241011, исследовательская группа обнаружила отличное соответствие с решением Керра и еще раз подтвердила предсказание Эйнштейна, но с беспрецедентной точностью.
|
|
|
|
Кроме того, поскольку массы отдельных черных дыр значительно различаются, гравитационно-волновой сигнал содержит "гул" высшей гармоники, похожий на обертоны музыкальных инструментов, которые в GW241011 наблюдаются только в третий раз за всю историю. Одна из этих гармоник наблюдалась с превосходной четкостью и подтверждает другое предсказание теории Эйнштейна.
|
|
|
|
"Это открытие также означает, что мы как никогда чувствительны к любой новой физике, которая может выходить за рамки теории Эйнштейна", - говорит Хастер.
|
|
|
|
Быстро вращающиеся черные дыры, подобные тем, что наблюдались в этом исследовании, имеют еще одно применение — в физике элементарных частиц. Ученые могут использовать их, чтобы проверить, существуют ли определенные гипотетические легкие элементарные частицы и насколько они массивны.
|
|
|
|
Эти частицы, называемые сверхлегкими бозонами, предсказываются некоторыми теориями, выходящими за рамки стандартной модели физики элементарных частиц, которая описывает и классифицирует все известные элементарные частицы. Если сверхлегкие бозоны существуют, они могут извлекать энергию вращения из черных дыр. Сколько энергии извлекается и насколько замедляется вращение черных дыр с течением времени, зависит от массы этих частиц, которая до сих пор неизвестна.
|
|
|
|
Наблюдение, что массивная черная дыра в двойной системе, испустившая GW241011, продолжает быстро вращаться даже спустя миллионы или миллиарды лет после своего образования, исключает широкий диапазон масс сверхлегких бозонов.
|
|
|
|
"Обнаружение и контроль этих двух событий демонстрируют, насколько важно использовать наши детекторы в синергии и стремиться к повышению их чувствительности", — говорит Франческо Паннарале, профессор Римского университета Сапиенца и сопредседатель отдела научных наблюдений в сотрудничестве LIGO-Virgo-KAGRA.
|
|
|
|
"Приборы LIGO и Virgo рассказали нам еще кое-что о том, как в нашей Вселенной могут образовываться двойные черные дыры, - добавляет он, - а также о фундаментальной физике, которая управляет ими по самой сути. Модернизируя наши приборы, мы сможем глубже изучить эти и другие аспекты и повысить точность наших измерений".
|
|
|
|
Источник
|
