Ученые зафиксировали самое масштабное на сегодняшний день слияние черных дыр, масса которых в 225 раз превышает массу Солнца: «На пределе нынешних возможностей».

Международная коллаборация LIGO-Virgo-KAGRA (LVK) зафиксировала слияние самых массивных чёрных дыр, когда-либо наблюдавшихся с помощью гравитационных волн с помощью обсерваторий LIGO, финансируемых Национальным научным фондом США (NSF). В результате мощного слияния образовалась последняя чёрная дыра с массой примерно в 225 раз больше массы Солнца. Сигнал, обозначенный как GW231123, был зарегистрирован в ходе четвёртого цикла наблюдений сети LVK 23 ноября 2023 года.

LIGO, лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория, вошла в историю в 2015 году, впервые напрямую зарегистрировав гравитационные волны – рябь в пространстве-времени. В том случае волны возникли в результате слияния чёрных дыр, в результате которого образовалась чёрная дыра с массой в 62 раза больше массы Солнца. Сигнал был одновременно зарегистрирован двумя детекторами LIGO, один из которых расположен в Ливингстоне, штат Луизиана, а другой – в Ханфорде, штат Вашингтон.

С тех пор команда LIGO объединилась с партнёрами из детектора Virgo в Италии и KAGRA (гравитационно-волновой детектор Kamioka) в Японии, образовав коллаборацию KLV. Эти детекторы совместно зафиксировали более 200 слияний чёрных дыр в четвёртом цикле анализа и около 300 слияний с начала первого цикла в 2015 году.

До настоящего момента самое массивное слияние чёрных дыр (произошедшее в 2021 году в результате события GW190521) имело общую массу в 140 масс Солнца. В последнем событии, GW231123, чёрная дыра массой 225 солнечных масс образовалась в результате слияния чёрных дыр, каждая из которых имела массу примерно в 100 и 140 масс Солнца.

Помимо большой массы, чёрные дыры также быстро вращаются. «Это самая массивная двойная система чёрных дыр, которую мы наблюдали с помощью гравитационных волн, и она представляет собой серьёзный вызов нашему пониманию образования чёрных дыр», — отмечает Марк Ханнэм из Кардиффского университета и член коллаборации LVK. «Чёрные дыры такой массы запрещены в стандартных моделях звёздной эволюции. Одна из возможностей заключается в том, что две чёрные дыры в этой двойной системе образовались в результате предыдущих слияний более мелких чёрных дыр».

Дэйв Рейтце, исполнительный директор LIGO в Калифорнийском технологическом институте, поясняет: «Это наблюдение в очередной раз демонстрирует, как гравитационные волны уникальным образом раскрывают фундаментальную и экзотическую природу черных дыр во всей Вселенной».

Большая масса и чрезвычайно быстрое вращение чёрных дыр в GW231123 проверяют пределы возможностей как технологии обнаружения гравитационных волн, так и современных теоретических моделей. Для извлечения точной информации из сигнала потребовалось использование моделей, учитывающих сложную динамику быстро вращающихся чёрных дыр.

«Похоже, что чёрные дыры вращаются очень быстро, близко к пределу, допускаемому общей теорией относительности Эйнштейна », — объясняет Чарли Хой из Портсмутского университета (Великобритания) и член LVK. «Это затрудняет моделирование и интерпретацию сигнала. Это отличный пример для дальнейшего развития наших теоретических инструментов».

Исследователи продолжают совершенствовать свои анализы и модели, используемые для интерпретации этих экстремальных событий. «Сообществу потребуются годы, чтобы полностью расшифровать эту сложную схему сигналов и все её последствия», — подтверждает Грегорио Карулло из Бирмингемского университета (Великобритания) и член LVK. «Хотя наиболее вероятным объяснением остаётся слияние чёрных дыр, более сложные сценарии могут дать ключ к расшифровке их неожиданных характеристик».

Детекторы гравитационных волн, такие как LIGO, Virgo и KAGRA, предназначены для измерения мельчайших искажений пространства-времени, вызванных бурными космическими событиями. Четвёртый цикл наблюдений начался в мае 2023 года, а дополнительные наблюдения за первую половину цикла (до января 2024 года) будут опубликованы позднее этим летом.

«Это событие расширяет границы наших возможностей в области приборов и анализа данных», — говорит Софи Бини, научный сотрудник Калифорнийского технологического института и член LVK. «Это яркий пример того, как много мы можем узнать из гравитационно-волновой астрономии и как много ещё предстоит открыть».