Самое крупное на сегодняшний день слияние чёрных дыр стало предметом обсуждения в научных кругах и опровергло ожидания астрономов. В этом рекордном событии участвовали чёрные дыры с массами, примерно в 100 раз превышающими массу Солнца. Это диапазон, в котором считается невозможным традиционный процесс формирования через коллапс звезды.
Новые наблюдения, о которых сообщили ранее на этой неделе, предполагают, что некоторые чёрные дыры образуются в результате сценария мультислияния [¹].
С момента первого обнаружения слияния в 2015 году коллаборация LIGO-Virgo-KAGRA (LVK) — сеть учёных, работающих с детекторами гравитационных волн в США, Европе и Японии — наблюдала около 300 слияний чёрных дыр. Когда две чёрные дыры сближаются и сливаются, они создают рябь в пространстве-времени, которую можно зафиксировать на Земле с помощью высокочувствительных интерферометров. Большинство этих чёрных дыр имеют массу около 10 масс Солнца, что можно объяснить в рамках сценария, когда массивная звезда исчерпывает топливо и коллапсирует в чёрную дыру.
Однако не все звёзды имеют такую судьбу. Согласно теоретическим моделям [²], очень массивные звёзды с массой около 200 масс Солнца нестабильны. Энергия в ядре такой звезды была бы настолько высокой, что привела бы к образованию электрон-позитронных пар — комбинации материи и антиматерии, которая снижает самоподдерживающееся давление звезды. Падение давления приводит к разрушительному имплозии — и у звезды нет шансов достичь финала в виде чёрной дыры.
Это означает, что коллапс звезды не может привести к образованию чёрных дыр в диапазоне масс от 60 до 130 масс Солнца. Однако в 2019 году коллаборация LVK обнаружила слияние чёрных дыр с измеренными массами — 65 и 85 масс Солнца — на нижнем конце этого промежутка (см. [Вид с высоты: Слияние тяжеловеса](https://physics.aps.org/articles/v13/111)). Это удивительное наблюдение привело к предположениям об альтернативных сценариях формирования чёрных дыр, но поскольку прогнозируемый диапазон масс для этого промежутка был неопределённым, оставалась возможность, что эти чёрные дыры образовались в результате какого-то модифицированного сценария коллапса звезды.
Теперь коллаборация LVK повысила ставки, обнаружив две более тяжёлые чёрные дыры, одна из которых находится прямо в этом промежутке. «Это событие предоставляет убедительные доказательства того, что чёрные дыры в промежутке масс могут существовать», — говорит представитель научной коллаборации LIGO Стивен Фэйрхерст из Кардиффского университета в Великобритании.
Новое событие GW231123
Новое событие, получившее название GW231123, было зафиксировано в ноябре 2023 года двумя обсерваториями LIGO в США. Сигнал гравитационной волны находился в низкочастотном диапазоне детекторов, что означает, что чёрные дыры были крупными. Сигнал был коротким — всего одна пятая секунды, — что усложнило интерпретацию, говорит член LVK Софи Бини из Калифорнийского технологического института.
Коллаборация использует так называемые модели волновых форм для определения параметров, таких как масса, орбитальная ориентация и расстояние. «Анализ более неопределён, потому что у вас меньше информации для начала», — говорит Бини.
Лучший результат оказался слиянием двух чёрных дыр с массами 103 и 137 масс Солнца, в результате чего образовалась чёрная дыра массой 225 масс Солнца. Из-за краткости сигнала исследователи не смогли точно определить местоположение на небе, где произошло событие. Бини представила эти результаты в понедельник на встрече GR–Amaldi в Глазго, Шотландия.
«Это действительно захватывающие новости!» — говорит астрофизик Давиде Джероза из Университета Милан-Бикокка в Италии, который не участвовал в исследовании. «С первым событием гравитационных волн, произошедшим 10 лет назад, мы были удивлены, что существуют чёрные дыры массой 30 масс Солнца. Теперь у нас есть чёрные дыры массой более 100 масс Солнца, что просто впечатляет».
Вопрос заключается в том, как могут образоваться эти гиганты. «Возможный сценарий — это иерархические слияния», — говорит Бини. Эта модель предполагает, что в результате более ранних поколений слияний образуются высокомассивные чёрные дыры, которые затем сливаются с другими тяжеловесами. «Это как генеалогическое древо чёрных дыр», — говорит Бини.
Одной из проблем для этой модели является то, что слившиеся чёрные дыры должны встретиться. Обычно событие слияния даёт рекоил-толчок конечной чёрной дыре, который может заставить её вылететь из богатых звёздами регионов, где ожидалось бы дальнейшее слияние, объясняет Бини.
Возможной подсказкой, связанной с иерархическим слиянием, является вращение, или «спин», чёрных дыр вокруг их осей. В стандартном сценарии коллапса звезды два сливающихся чёрных дыры образовались в двойной системе, поэтому их спины предсказываются выровненными и относительно небольшими. Действительно, большинство слияний, зарегистрированных коллаборацией LVK, имеют небольшие значения спина для двух входящих чёрных дыр. Однако у конечной чёрной дыры — той, которая образовалась в результате слияния — должен быть относительно большой спин [³]. Это связано с тем, что она фактически ассимилирует весь орбитальный угловой момент от быстрого орбитального движения сливающихся чёрных дыр, объясняет Джероза.
Исследователи определили спины двух сливающихся чёрных дыр для GW231123. И хотя значения имеют большие неопределённости (около 20–50%), оба объекта, по-видимому, вращаются вблизи максимально допустимых значений: один на 80% от максимума, а другой — на 90%. Такие высокие спины указывают на то, что эти чёрные дыры были созданы в результате предыдущих слияний. Однако Джероза отмечает, что наблюдаемые значения спина на самом деле немного выше ожидаемых. «Типичное предсказание для спинов в сценарии иерархического слияния составляет около 70%», — говорит он. Но он предполагает, что оценки наблюдаемых спинов могут немного снизиться, поскольку моделисты продолжат анализ данных.
Другой возможностью, которую рассматривает коллаборация LVK, является слияние массивной звезды с другой звездой, минуя нестабильность создания пар. Но эти модели с трудом объясняют большие значения спина, которые наблюдает команда.
Даже если учёные остаются в неведении относительно того, как образовались эти чёрные дыры, они могут определить, где они образовались, говорит теоретик Розальба Перна из Университета Стони Брук в Нью-Йорке, которая также не участвовала в исследовании. Она говорит, что слияние GW231123, вероятно, произошло в среде, где плотность звёзд достаточно высока, чтобы взаимодействия чёрных дыр были частыми, или где окружающая среда достаточно плотная, чтобы чёрные дыры могли аккумулировать много дополнительного материала. «На ум приходят диски активных галактических ядер», — говорит она.
Как парус меняет свою форму
Парусник действует как крыло. Ветер, обтекающий его, создаёт горизонтальную подъёмную силу. Тем временем вода воздействует на корпус и киль лодки. Опытные моряки могут регулировать натяжение и положение паруса, чтобы взаимодействие этих сил всегда генерировало результирующую составляющую вперёд, даже при движении под углом к ветру. Чтобы достичь пункта назначения, идущего вверх по ветру, моряки следуют зигзагообразному курсу, перемежаемому манёвром, называемым тактингом: быстрым изменением направления движения лодки, которое переворачивает парус в зеркальное отображение.
В симуляциях Кристиана Маврояиакому из Нью-Йоркского университета и Сайлас Албен из Мичиганского университета анализируют, когда тактик переворачивает парус в оптимальную форму — и когда это не так [¹].
Маврояиакому и Албен объединили мембранную модель с моделью жидкости для изучения манёвра тактинга. Гибкая мембрана изначально была наклонена под углом 0°–20° относительно устойчивого фонового потока, что привело к её изгибу. Затем угол мембраны был изменён так, чтобы поток шёл с другой стороны. Исследователи изучили, какие параметры модели влияли на то, как мембрана принимала свою зеркально отражённую форму в ответ на новое направление ветра.
Мембрана с большей вероятностью перевернулась при больших значениях устойчивых параметров — жёсткости растяжения, натяжения и конечного угла атаки, то есть угла между ветром и парусом. Время, необходимое для переворота, зависело от скорости и ускорения манёвра тактинга, а также от массы мембраны. Мембрана с достаточной массой сохраняла свой импульс достаточно долго, чтобы перевернуться; однако ей требовалось больше времени, чтобы принять устойчивую форму.
Исследование даёт представление не только морякам, но и тем, кто проектирует мембраны, которые направляют и приводят в движение движущееся транспортное средство, такое как автономные парусные роботы.
— Рэйчел Берковиц,
Physics Magazine