Астрофізики знайшли новий вигляд чорних дір, а також найлегшу нейтронну зірку. Як їм це вдалося?

Співпраця LIGO — Virgo — KAGRA описала свої спостереження у статті, яка доступна в репозиторії препринтів arXiv.

Більшість подій була викликана злиттям чорних дір. Однак дві з них точно були викликані поглинанням чорною дірою нейтронної зірки (про одну з цих подій ми навіть писали матеріал) — таке злиття було зафіксовано вперше в історії спостережень саме під час цієї кампанії.

Серед усіх подій вчені відзначили дві, в яких брали участь досить незвичайні чорні діри, маса яких перевищувала масу Сонця більш ніж у 60 разів. Сучасні теорії неспроможні пояснити існування подібних об'єктів.

Чорні діри утворюються в результаті колапсу ядра вмираючої зірки всередину себе. Для цього зірка повинна мати достатню масу — наприклад, коли Сонце вмиратиме, воно перетвориться на білий карлик. Для формування чорної діри зірка повинна мати масу бодай у 10 Сонців. У такому разі наприкінці її життя спалах наднової призведе до появи нової чорної діри.

Цей принцип працює для зірок масою 10−65 Сонців. Зірки, які важать у 65−125 разів більше за Сонце, не залишають після себе взагалі нічого, повністю знищуючи себе вибухом. Ті, що важать більше, також формують чорну діру.

Виходить, чорні діри, які важать понад 65 і менше 125 Сонців, не повинні існувати в теорії. Вчені досі намагаються знайти пояснення, як це могло статися. Найрозумнішим варіантом зараз видається припущення, що ці чорні діри є результатом попередніх злиттів, а не виникли внаслідок смерті зірки.

19 грудня 2019 року обсерваторії зафіксували ще одну цікаву подію: чорна діра, яка в 30 разів перевищує масу Сонця, поглинула крихітну нейтронну зірку масою в 1,17 Сонця.

Алессандра Буонанно, астрофізик LIGO з Інституту гравітаційної фізики Товариства Макса Планка зазначає, що це одне з кількох виявлень із низькою достовірністю — цілком можливо, це був лише фоновий шум, а не реальна подія. Однак якщо спостереження підтвердяться, це буде одна з найлегших відомих нам нейтронних зірок, яка стане об'єктом із найменшою масою, колись виявленим детекторами гравітаційних хвиль.

Деніел Хольц з університету Чикаго в Іллінойсі, який працює з детектором LIGO, зазначив ще одну закономірність — злиття чорних дір частіше відбуваються в галактиках, які знаходяться далі від нас у просторі і часі, тобто в тих, що існували в ранньому Всесвіті. Чим дорослішим стає наш світ, тим менше відбувається подібних подій.

«Раніше у Всесвіті створювалося більше зірок, і тому природно очікувати, що буде створено більше чорних дір, а отже, стане більше їх злиттів», — пояснює він.

Прямо зараз LIGO та Virgo не працюють і проходять серйозну модернізацію. Почати роботу вони зможуть орієнтовно в середині-кінці 2022 року, і з новою технікою вони виявлятимуть більше злиттів. Дослідники очікують, що незабаром вони зможуть побачити тенденції, що вказують на походження та історію подвійних систем, що беруть участь у злитті, а також історію самого Всесвіту.

Також вони розраховують колись зафіксувати ще одне зіткнення двох нейтронних зірок. Поки що злиття 2017 року залишається єдиною гравітаційно-хвильовою подією, яка також спостерігалася звичайними обсерваторіями.

«Тільки зараз ми починаємо цінувати чудову різноманітність чорних дір та нейтронних зірок. Наші останні результати доводять, що вони бувають різних розмірів та комбінацій. Ми вирішили деякі давні загадки, але також здобули кілька нових головоломок. Використовуючи ці спостереження, ми ближче до розгадки таємниць того, як розвиваються зірки — цеглинки нашого Всесвіту», — каже астрофізик Крістофер Беррі, який брав участь у дослідженні.