Астрофизики нашли новый вид черных дыр, а также самую легкую нейтронную звезду. Как им это удалось?

Сотрудничество LIGO — Virgo — KAGRA описало свои наблюдения в статье, которая доступна в репозитории препринтов arXiv.

Большинство событий было вызвано слиянием черных дыр. Однако два из них точно было вызвано поглощением черной дырой нейтронной звезды (про одно из этих событий мы даже писали материал) — такое слияние было зафиксировано впервые в истории наблюдений именно во время этой кампании.

Среди всех событий, ученые отметили два, в которых участвовали достаточно необычные черные дыры, масса которых превышала массу Солнца более чем в 60 раз. Современные теории не могут объяснить существование подобных объектов.

Черные дыры образуются в результате коллапса ядра умирающей звезды «внутрь» себя. Для этого звезда должна обладать достаточной массой — например, когда Солнце будет умирать, оно превратится в белый карлик. Для формирования черной дыры, звезда должна обладать массой хотя бы в 10 Солнц. В таком случае, в конце ее жизни вспышка сверхновой приведет к появлению новой черной дыры.

Этот принцип работает для звезд массой в 10−65 Солнц. Звезды, которые весят в 65−125 раз больше Солнца, не оставляют после себя вообще ничего, полностью уничтожая себя взрывом. Те, что весят больше, также формируют черную дыру.

Получается, что черные дыры, которые весят более 65 и меньше 125 Солнц, не должны существовать в теории. Ученые до сих пор пытаются найти объяснение тому, как это могло произойти. Самым разумным вариантом сейчас выглядит предположение, что эти черные дыры являются результатом предыдущих слияний, а не возникли в результате смерти звезды.

19 декабря 2019 года обсерватории зафиксировали еще одно интересное событие: черная дыра, в 30 раз превышающая массу Солнца, поглотила крохотную нейтронную звезду массой в 1,17 Солнц.

Алессандра Буонанно, астрофизик LIGO из Института гравитационной физики Общества Макса Планка отмечает, что это одно из нескольких обнаружений с низкой достоверностью — вполне возможно, это был лишь фоновый шум, а не реальной событие. Однако если наблюдения подтвердятся, это будет одна из самых легких известных нам нейтронных звезд, которая станет объектом с наименьшей массой, когда-либо обнаруженным детекторами гравитационных волн.

Дэниел Хольц из Чикагского университета в Иллинойсе, работающий с детектором LIGO отметил еще одну закономерность — слияние черных дыр чаще происходят в галактиках, которые находятся дальше от нас в пространстве и времени, то есть в тех, что существовали в ранней Вселенной. Чем взрослее становится наш мир, тем меньше происходит подобных событий.

«Раньше во Вселенной создавалось больше звезд, и поэтому естественно ожидать, что будет создано больше черных дыр и, следовательно, будет больше их слияний», — объясняет он.

Прямо сейчас LIGO и Virgo не работают и проходят серьезную модернизацию. Приступить к работе они смогут ориентировочно в середине-конце 2022 года, и с новой техникой они будут обнаруживать больше слияний. Исследователи ожидают, что вскоре они смогут увидеть тенденции, указывающие на происхождение и историю двойных систем, участвующих в слияниях, а также на историю самой Вселенной.

Также они рассчитывают когда-нибудь зафиксировать еще одно столкновение двух нейтронных звезд. Пока что слияние 2017 года остается единственным гравитационно-волновым событием, которое также наблюдалось обычными обсерваториями.

«Только сейчас мы начинаем ценить чудесное разнообразие черных дыр и нейтронных звезд. Наши последние результаты доказывают, что они бывают разных размеров и комбинаций. Мы решили некоторые давние загадки, но также получили несколько новых головоломок. Используя эти наблюдения, мы ближе к разгадке тайн того, как развиваются звезды — кирпичики нашей Вселенной», — говорит астрофизик Кристофер Берри, участвовавший в исследовании.