За първи път: Учени регистрираха сливане на черни дупки от второ поколение

Международното сътрудничество LIGO-Virgo-KAGRA, включващо Европейската гравитационна обсерватория обяви откриването на две необичайни гравитационно-вълнови събития, регистрирани през октомври и ноември 2024 година. Тези събития (GW241011 и GW241110) са първите надеждни потвърждения на сливания на черни дупки от второ поколение, придружени и от първите открити аномалии във въртенето на тези загадъчни обекти.

Новите открития добавят неподозирани досега явления към процеса на разбиране на еволюцията на черните дупки и фундаменталните процеси във Вселената.

Гравитационните вълни са предсказани от Айнщайн през 1916 година и за първи път са регистрирани от обсерваториите LIGO (САЩ) и Virgo (ЕС) през 2015 година. Те представляват пулсации в пространство-времето, които се появяват по време на изключително енергийни събития във Вселената – например, при сливане на черни дупки.

Самото откриване на гравитационни вълни носи малко информация за протичащите процеси. Подробностите за техните източници разкриват изключително сложен анализ и моделиране на всички характеристики на сигнала. По-специално анализът на данните позволява да се определят масите на сблъскващите се черни дупки, скоростта и посоката на тяхното въртене, отдалечеността на събитието, както и да се изведат редица други параметри. В същото време точността на разпознаване на сигналите нараства с натрупването на нови данни. Учените казват, че са готови да излязат извън рамките на познатата физика, ако новите данни разкрият нещо необичайно – съвременните детектори позволяват това. Между другото, четвъртият цикъл наблюдения, който започна през май 2023 година вече е към своя край. Той е забележителен с това, че към работата се присъедини японската гравитационно-вълнова обсерватория KAGRA.

По време на четвъртия цикъл на наблюдение, който ще приключи следващия месец са регистрирани около 300 гравитационни събития. Сред тях най-интересни са двете споменати по-горе – GW241011 и GW241110. Първото събитие, GW241011, регистрирано на 11 октомври 2024 година, е възникнало на разстояние 700 милиона светлинни години и е причинено от сливането на черни дупки с маси 17 и 7 слънчеви маси. По-масивната черна дупка показа една от най-високите скорости на въртене сред наблюдаваните досега обекти – тя беше близка до теоретичната граница, предсказана от математика Рой Кер. Така данните от наблюденията отново потвърдиха свойствата на тези обекти, предсказани от Айнщайн.

Второто събитие, GW241110, регистрирано на 10 ноември 2024 година идва от разстояние 2,4 милиарда светлинни години и е свързано със сливането на черни дупки с маси 16 и 8 слънчеви маси. Изненадващото в това събитие е, че една от черните дупки се е въртяла в посока, обратна на орбиталното ѝ движение – първото подобно наблюдение. Още веднъж, всички математически изчисления на регистрираното събитие са напълно в рамките на предсказанията на Айнщайн.

И двете събития насочват към образуването на черни дупки от „второ поколение“, формирани от йерархични сливания в плътни среди като звездни купове.

Поне една черна дупка от всяка двойка е била директно родена от мъртва звезда, а отчетените сливания са били следващата стъпка по пътя на акрецията на маса за тях. Различно насочените ротации на сливащите се черни дупки предоставят допълнителни доказателства, че те са се формирали в различни среди и на значителни разстояния една от друга. Най-малкото обектът с противоположна посока на въртене е възникнал и се е развивал в динамична среда, което показва еволюцията на черните дупки като жива, а не затворена система.

И накрая, продължителната стабилност на ротационните скорости на отдалечената двойка черни дупки ни позволява да направим някои важни изводи за фундаменталната физика. По-рано в нейните рамки се допускаше съществуването на хипотетични свръхлеки бозони. Събитието GW241110 принуждава да се усъмним в тяхното съществуване. В противен случай скоростта на въртене на черните дупки преди сливането GW241110 в продължение на милиарди години би претърпяла забележима промяна, защото родените около черната дупка бозони биха отнели част от енергията ѝ и биха забавили въртенето. Това обаче не се е случило. За пореден път Стандартният модел остана непоклатим.