Ученые коллаборации LIGO-Virgo-KAGRA опубликовали третий каталог регистраций гравитационных волн от слияний черных дыр и нейтронных звезд, который включает в себя как уже известные события, так и 35 новых наблюдений, в результате чего общее количество наблюдаемых событий с момента начала регистрации гравитационных волн с 2016 года достигло 90. Каталог доступен на сайте LIGO и на сайте электронных препринтов arXiv.org.
Исследователи заявляют, что 35 новых открытий включают в себя как случаи наблюдений слияний пар массивных черных дыр, по своей массе в 145 раз превосходящих массу Солнца, так и, наоборот, пар черных дыр, чья общая масса составила всего 18 солнц. Из 35 новых случаев 32 (то есть подавляющее большинство), вероятно, нужно приписать результатам слияния пар черных дыр, однако есть также и случаи наблюдения слияния пар нейтронных звезд и даже два случая слияния нейтронной звезды с черной дырой.
Рекордное количество вновь зарегистрированных гравитационных волн открывает новое окно во Вселенную и меняет представления об окружающем мире, эволюции звезд и всей Вселенной в целом. Темп регистраций новых событий возрос на порядок за счет объединения усилий коллабораций LIGO и Virgo, а также за счет модернизации их инструментов, в частности, за счет увеличения мощности лазера.
Гравитационные волны — это распространяющееся возмущение гравитационного поля, «рябь» в ткани пространства-времени, создаваемая взаимодействием массивных космических объектов. На больших расстояниях — в миллиарды световых лет — удается регистрировать слияния пар черных дыр, что служит подтверждением предсказания Альберта Эйнштейна, сделанного столетием ранее на основе общей теории относительности. Первоначально гравитационные волны от этих катастрофических столкновений были зарегистрированы в 2016 году в США лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерваторией LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), строительство которой было инициировано в 1992 году американским астрономом Кипом Торном. В 2017 году создателям LIGO была присуждена Нобелевская премия по физике. С ноября 2019 года к регистрации гравитационных волн подключился франко-итальянский детектор гравитационных волн Virgo.
Исследователь из австралийского Университета Монаша и участница австралийского подразделения проекта OzGrav Шаника Галаудаж описала гравитационные волны как «новое окно во Вселенную», а новую порцию данных журналисты назвали «цунами гравитационных волн». «Гравитационные волны — это не электромагнитные волны, — пояснила Галаудаж в интервью The Guardian. — С помощью них мы можем увидеть невидимые прежде вещи, такие как слияния двойных черных дыр».
Слияния пар черных дыр как раз и происходят из-за того, что они теряют энергию на излучение гравитационных волн, постепенно падая друг на друга по спирали. Черные дыры могут обладать разной массой, в данном случае регистрируются слияния черных дыр звездной массы, самые массивные из подобных объектов в 90 раз превышают массу Солнца. Образовавшиеся в результате этих слияний черные дыры могут превышать массу Солнца в 100 раз и постепенно за счет повторных слияний перейти в разряд черных дыр промежуточной массы. Последние наблюдения LIGO-Virgo-KAGRA как раз и подтверждают, что этот новый класс черных дыр более распространен во Вселенной, чем считалось ранее. Обнаружены слияния пар черных дыр массой в 145 солнц и еще одной пары в 112 солнц.
Два из 35 обнаруженных событий, вероятно, были слиянием нейтронной звезды с черной дырой — такое наблюдается гораздо реже. В одном из этих редких слияний участвовала массивная черная дыра массой в 33 солнца, соединившаяся с нейтронной звездой очень малой массы — примерно в 1,17 раза больше массы Солнца. Это минимальная масса для нейтронной звезды среди всех, когда-либо обнаруженных как с помощью гравитационных волн, так и с помощью обычных наблюдений в электромагнитном диапазоне волн.
Массы черных дыр и нейтронных звезд считаются ключевыми параметрами при описании того, как массивные звезды живут и умирают при взрывах сверхновых. Но не менее важен и характер их вращения. «От того, с какой скоростью вращается черная дыра или нейтронная звезда и в какую сторону направлено вращение, мы можем понять, как она возникла: жили ли сливающиеся черные дыры или нейтронные звезды раздельно и встретились в какой-то момент, либо они были одной звездной системой с самого начала, коллапсировали по отдельности, а затем продолжили сливаться и производить эти гравитационные волны», — объясняет Галаудаж.
«Только сейчас мы начинаем сталкиваться с таким удивительным разнообразием среди черных дыр и нейтронных звезд, — утверждает Кристофер Берри из Университета Глазго. — Наши последние результаты показывают, что они бывают самых разных размеров и комбинаций. В результате мы решили некоторые давние загадки, однако также столкнулись и с новыми головоломками. Используя эти наблюдения, мы приближаемся к разгадке тайн эволюции звезд — основных строительных блоков нашей Вселенной».
Еще одно из гравитационно-волновых событий в каталоге произошло в результате слияния двух объектов, один из которых почти наверняка был черной дырой с массой примерно в 24 солнца, а другой был либо очень легкой черной дырой, либо очень тяжелой нейтронной звездой, в 2,8 раза превышающей массу Солнца. Аналогичное неоднозначное событие было обнаружено LIGO и Virgo в августе 2019 года. Массы более легких объектов вызывают недоумение, поскольку ожидалось, что нейтронные звезды массой свыше 2,5 солнц должны коллапсировать с образованием черной дыры. Однако с помощью наблюдений в электромагнитном диапазоне волн не было обнаружено ни одной черной дыры с массой меньше пяти масс Солнца. Это заставило ученых предположить, что звезды не образуют черных дыр в этом диапазоне за счет коллапса. Теперь новые наблюдения гравитационных волн показывают, что и эти теории, возможно, необходимо пересмотреть.
За считанные годы ученые, занимающиеся гравитационными волнами, перешли к ежемесячным наблюдениям множества событий и иногда даже регистрируют несколько таких событий в день. В отличие от черных дыр, слияния нейтронных звезд регистрируются значительно реже. Эти объекты, представляющие собой остатки выгоревших звезд с массами, в восемь раз превышающими массу Солнца, обладают меньшей плотностью и не создают таких мощных гравитационных волн, как черные дыры. Однако в будущем астрономы смогут видеть больше таких событий и даже, вероятно, смогут обнаруживать гравитационные волны от звезд в момент превращения их в сверхновые, что позволит лучше изучить все звездные процессы.