RW Space

Из всех объектов во Вселенной лишь немногие вызывают такое же недоумение, как черные дыры.

За последнее десятилетие гравитационно-волновые обсерватории открыли их в ошеломляющем разнообразии: гигантские черные дыры, гораздо более крупные, чем мы думали, черные дыры, вращающиеся с головокружительной скоростью, и пары настолько несовпадающие, что ученые изо всех сил пытались объяснить их.

Теперь, с последним выпуском гравитационно-волновых данных от В результате сотрудничества LIGO-Virgo-KAGRA у астрономов наконец-то появилось достаточно открытий, чтобы выйти за рамки отдельных курьезов и начать настоящую перепись населения черных дыр.

И новая картина предполагает, что во Вселенной есть удивительно универсальный набор методов создания черных дыр.

«Этот набор из почти 400 гравитационных волн, обнаруженных LIGO и Virgo, дает нам четкое указание на то, что слияния бинарных черных дыр, которые мы видим, формируются в нескольких разными способами», — объясняет астрофизик Шаран Банагири из Университета Монаша и Центра передового опыта по открытию гравитационных волн (OzGrav) в Австралии.

«Некоторые из них могут образоваться как одно гигантское облако газа, которое коллапсирует, образуя две массивные звезды, которые затем становятся черными дырами. Другие могут быть черными дырами, которые перемещаются друг в друга в плотных средах, называемых скоплениями, заполненными звездами, в то время как другие являются продуктом предыдущего поколения слияний двух черных дыр. дыры.»

Черные дыры чрезвычайно трудно изучать. Они состоят из материи, настолько плотно упакованной, что их чрезвычайная гравитация искажает пространство-время вокруг них в область, из которой даже свет в вакууме не может быть достаточно быстрым, чтобы достичь скорости убегания.

Поскольку свет является основным инструментом, который мы используем для понимания Вселенной, это делает черные дыры непроницаемыми для наших лучших методов обнаружения – но кое-что мы все же знаем.

Считается, что они формируются из коллапсирующих ядер массивных звезд с массой выше определенного порога, сжимаясь в объект настолько маленький, но настолько массивна, что гравитация полностью подавляет все другие известные силы.

Затем, в 2015 году, во Вселенной разразился прорыв в науке о черных дырах.

Это был первый раз, когда человечество обнаружило гравитационные волны, рябь пространства-времени от сталкивающейся пары черных дыр – как волны, распространяющиеся наружу от камешка, брошенного в пруд.

С тех пор наша способность обнаруживать события, связанные с гравитационными волнами, улучшилась, а число обнаружений в новейшем каталоге гравитационных волн выросло до 390 – большинство из них связано со сталкивающимися парами черных дыр.

Это в среднем около 40 обнаружений в год.

» Теперь у нас есть достаточно данных, чтобы мы могли начать изучать свойства этих черных дыр и выяснять, откуда они взялись», — говорит астрофизик Максимилиано Иси из Института Флэтайрон Фонда Саймонса в США.

«Мы также можем составить график расширения Вселенной на протяжении ее истории, что сейчас является очень важным вопросом без ответа в космологии».

Каждый гравитационно-волновой сигнал можно проанализировать, чтобы сделать вывод о свойствах задействованы черные дыры. Сюда входят массы и вращения двух сталкивающихся черных дыр, а также предполагаемая масса и вращение более крупной черной дыры, образовавшейся в результате столкновения.

Новый каталог содержит ряд ключевых результатов, в том числе несколько рекордсменов. Обнаружен самый четкий сигнал черной дыры, GW 250114, который позволил провести новые испытания теоретической физики. Другой сигнал, GW 240615dg, установил рекорд лучшей локализации неба, когда-либо достигнутой.

Но эти отдельные события меркнут по сравнению с тем, что показывают данные переписи населения.

«Сейчас мы обнаруживаем так много этих сигналов, что мы не просто изучаем отдельные столкновения; это астрономический эквивалент открытия древней цивилизации», — говорит астрофизик Дэниел Уильямс из Университета Глазго в Великобритания.

«Сегодняшние новые результаты подобны поиску ранее не обнаруженного клада, раскрывающего не только отдельные жизни, но и структуру целого затерянного мира».

Статистический анализ показывает, что массы черных дыр имеют тенденцию группироваться в две основные группы: 10 солнечных масс и 35 солнечных масс.

Первая, вероятно, происходит от обычных двойных звезд, развивающихся вместе, но вторую труднее объяснить только стандартной звездной эволюцией.

Однако другие тенденции позволяют предположить, что это более крупные объекты могут быть черными дырами «второго поколения», масса которых выросла в результате предыдущего столкновения между меньшими черными дырами. Такая последовательность столкновений называется иерархическим слиянием.

Поскольку в результате столкновения могут образоваться быстро вращающиеся остатки, быстрое вращение, превышающее ожидаемое, служит отпечатком этих иерархических слияний.

«Одна из самых интересных вещей, которые мы обнаружили об этих новых черных дырах, — это то, что они вращаются очень быстро», — говорит Банагири.

«Солнце вращается один раз каждые 25 дней. Если бы оно стало черной дырой и начал вращаться так же быстро, как те, которые мы обнаружили, он будет вращаться несколько тысяч раз в секунду».

И двойные системы, которые развивались вместе, обычно должны иметь схожие массы – это означает, что столкновение совершенно несовпадающей двойной системы могло также включать черную дыру, которая является продуктом предыдущего слияния.

Появляющаяся картина из последнего каталога показывает, что это, вероятно, так и будет только становиться яснее.

По теме: Физики смоделировали черную дыру в лаборатории, и она затем начала светиться

Первая серия наблюдений LIGO произвела три обнаружения в течение четырех месяцев – в среднем одно обнаружение каждые шесть недель или около того.

Последняя серия наблюдений позволила получить от трех до четырех обнаружений в неделю.

«Мы больше не просто наблюдаем отдельные аномалии; вместо этого мы наблюдаем настоящий калейдоскоп космических столкновений», – говорит астрофизик Эрик Трейн из Университета Монаша и компании OzGrav.

«Мы раздвигаем границы того, что знаем, видя вещи, которые более массивны, вращаются быстрее и более необычны, чем когда-либо прежде».

Результаты были опубликованы в препринте на веб-сайте LIGO.