Новые результаты, важные для изучения экстремальных объектов Вселенной, получены на детекторах гравитационных волн LIGO и Virgo. Сигнал, зарегистрированный ими, свидетельствует о рождении необычной черной дыры, значительно превышающей по массе все подобные объекты, обнаруженные с помощью данного метода. О характеристиках гравитационного всплеска сообщает статья в издании Physical Review Letters, а вопросам его интерпретации посвящена работа, опубликованная в Astrophysical Journal Letters.
Отголосок далекой катастрофы
Всплеск с неожиданными параметрами был обнаружен детекторами в мае 2019 г. и получил наименование GW190521 (числовым индексом обозначается дата события). Он состоял из четырех амплитудных пиков общей продолжительностью менее 0,1 секунды.
Анализ параметров сигнала показал, что вызвавшее его событие – слияние пары черных дыр – произошло очень давно и далеко: около семи миллиардов лет назад на расстоянии 5,3 гигапарсека (17 миллиардов световых лет). Оно без преувеличения носило катастрофический характер: одна из слившихся дыр была в 66 раз, а вторая – в 85 раз массивнее Солнца.
Эти объекты составляли ранее тесную двойную систему, в которой вращались вокруг общего центра масс. Расстояние между ними неуклонно сокращалось, и в итоге черные дыры упали друг на друга, вызвав кратковременное, но чрезвычайно мощное возмущение гравитационного поля.
Результатом объединения стала новая черная дыра, по массе в 142 раза превышающая Солнце. Энергия, соответствующая почти девяти солнечным массам, излучилась в виде гравитационных волн, которые и попали на детекторы приемников LIGO и Virgo.
Первый объект промежуточного класса
Астрофизики выделяют три категории черных дыр, различающихся по массе. Наиболее тяжелы (от миллиона масс Солнца и более) располагающиеся в галактических ядрах сверхмассивные черные дыры. Эти объекты астрономы регистрируют с достаточной степенью достоверности с помощью различных методов. С другого края спектра масс находятся дыры, образующиеся при коллапсе массивных звезд, – они не тяжелее нескольких десятков Солнц. Если такая дыра формирует вокруг себя аккреционный диск из газа, ее можно обнаружить по характерному рентгеновскому излучению, возникающему в диске.
Теоретические модели предсказывают существование промежуточного класса черных дыр, обладающих средними значениями масс. До сих пор их не удавалось обнаружить наблюдательными методами, и регистрация события GW190521 впервые непосредственно подтвердила факт существования подобных объектов. Согласно современным воззрениям, они представляют собой переходную форму от дыр звездной массы к масштабным сверхмассивным образованиям в центрах галактик.
Загадка массивного прародителя
Более всего астрономов заинтриговала не результирующая черная дыра, образование которой сопровождалось всплеском GW190521, а породившая ее пара. Один из компонентов в этой системе не вписывается в современные представления о звездной эволюции.
Моделирование показывает, коллапсировать с образованием черной дыры способна звезда-гигант или сверхгигант с массой либо менее 130 солнечных масс, либо более 200–250 (в разных моделях значения разнятся). Звезда с промежуточной массой заканчивает свое существование вспышкой так называемой парно-нестабильной сверхновой, при которой происходит полный разброс ее вещества.
Таким образом, формирующаяся черная дыра может иметь массу менее 66 или от 120 до 135 масс Солнца. Между тем масса одного из компонентов двойной системы черных дыр, слияние которых вызвало гравитационную волну GW190521, оценена в 85 солнечных масс. Такой объект не мог возникнуть на финальном этапе жизни звезды.
Астрофизики выдвигают несколько гипотез относительно происхождения необычно тяжелого прародителя новой черной дыры. Так, одно из экзотических предположений допускает, что загадочный компонент представлял собой одну из первичных черных дыр, образовавшихся на начальном этапе расширения Вселенной при коллапсе сверхплотного вещества.
Однако наиболее вероятным представляется сценарий так называемого иерархического слияния. Он подразумевает формирование массивного объекта в результате объединения меньших дыр либо поглощение черной дырой некоего достаточно масштабного объекта, в результате чего она нарастила свою массу. Дальнейшие подробные исследования особенностей гравитационно-волнового сигнала GW190521 должны не только помочь уточнить природу породившего его события, но и пролить свет на вопрос об эволюции участвовавших в нем объектов.
