Исследователи из Шанхайской астрономической обсерватории (SHAO) Китайской академии наук сделали сенсационное открытие: двойные чёрные дыры во Вселенной могут быть не такими уж «одинокими странниками». За ними может скрываться ещё более загадочный «гигант».
Команда учёных под руководством доктора Хань Вэньбяо из SHAO обнаружила убедительные доказательства того, что недавнее слияние двух чёрных дыр, известное как GW190814, вероятно, произошло в гравитационном поле третьего компактного объекта, возможно, сверхмассивной чёрной дыры.
Это открытие, опубликованное 21 июля в The Astrophysical Journal Letters, даёт новые ключи к разгадке тайны формирования двойных чёрных дыр.
С момента первого обнаружения гравитационных волн в 2015 году коллаборация LIGO-Virgo-KAGRA наблюдала более 100 событий, связанных с гравитационными волнами, большинство из которых были вызваны слиянием двойных чёрных дыр. Эти данные критически важны для понимания физики слияний двойных чёрных дыр, но механизмы, лежащие в основе их формирования и эволюции, остаются неясными.
Модель b-EMRI
Команда доктора Ханя ранее предложила модель b-EMRI, в которой сверхмассивная чёрная дыра захватывает двойную чёрную дыру, создавая иерархическую тройную систему. Двойные чёрные дыры «танцуют» вокруг сверхмассивной чёрной дыры, излучая гравитационные волны в различных частотных диапазонах. Эта система позже была включена в «белый документ» проекта LISA и указана как уникальный источник для китайских проектов по обнаружению гравитационных волн в космосе. С тех пор команда искала доказательства слияний двойных чёрных дыр вблизи сверхмассивных чёрных дыр в данных LIGO-Virgo.
Анализ события GW190814
В ходе анализа команда сосредоточилась на событии GW190814. Соавтор доктор Ян Шучен объяснил, что его двоичные компоненты имеют необычное соотношение масс, почти 10:1. Такое экстремальное сочетание предполагает, что они могли когда-то быть частью тройной системы со сверхмассивной чёрной дырой, постепенно сближаясь под действием гравитационных взаимодействий. В качестве альтернативы они могли сформироваться в аккреционном диске активного галактического ядра, сближенные гравитационным влиянием окружающих компактных объектов перед слиянием.
Исследователи заметили, что если двойная чёрная дыра сливается вблизи третьего компактного объекта, орбитальное движение вокруг третьего объекта вызовет ускорение вдоль линии зрения наблюдателя. Это ускорение изменит частоту гравитационных волн через эффект Доплера, оставив отчётливый «отпечаток» в сигнале.
Для обнаружения этой сигнатуры они разработали шаблон гравитационной волны, включающий ускорение вдоль линии зрения, и применили байесовский вывод для анализа нескольких событий с высоким отношением сигнал/шум. Результаты показали, что для GW190814 модель с ускорением вдоль линии зрения значительно превзошла традиционную модель «изолированной двойной чёрной дыры».
Ускорение вдоль линии зрения было оценено примерно в 0,002 c с$^{-1}$ (90% доверительный уровень, где «c» — скорость света), с байесовским фактором (мера достоверности модели) 58:1, что убедительно подтверждает наличие ускорения вдоль линии зрения.
«Это первое международное открытие, ясно доказывающее наличие третьего компактного объекта в событии слияния двойной чёрной дыры», — сказал доктор Хань. «Оно показывает, что двойные чёрные дыры в GW190814 могли образоваться не изолированно, а были частью более сложной гравитационной системы, что даёт значительное понимание путей формирования двойных чёрных дыр».
С появлением нового поколения наземных детекторов гравитационных волн (например, Einstein Telescope, Cosmic Explorer) и космических детекторов (например, LISA, Taiji, TianQin) учёные смогут фиксировать тонкие вариации в сигналах гравитационных волн с ещё большей точностью. Будущие наблюдения могут выявить больше событий, подобных GW190814, помогая человечеству лучше понять формирование и эволюцию двойных чёрных дыр.
Предоставлено Китайской академией наук.