Сеть гравитационно-волновых обсерваторий LIGO/Virgo объявила о детектировании всплеска гравитационных волн, соответствующего событию слияния двух чёрных дыр с массами 66 и 85 масс Солнца. В результате образовалась чёрная дыра массой 142 солнечных. Это самая крупная чёрная дыра, зарегистрированная при помощи детекторов гравитационных волн, и она является первым открытым объектом нового класса — чёрных дыр промежуточной массы. Исходные чёрные дыры также находятся в ранее не наблюдавшемся диапазоне масс, и раньше предполагалось, что в этом диапазоне они не могут образовываться из массивных звёзд.
Всплеск зафиксирован 21 мая 2019 года на всех трёх интерферометрах глобальной сети детекторов гравитационных волн и получил обозначение GW190521. Выделившаяся в результате слияния энергия эквивалентна восьми массам Солнца — это также рекорд для такого типа событий. Источник всплеска находится на расстоянии 5 гигапарсек — пока что это один из самых удалённых зарегистрированных источников гравитационных волн. Две работы группы LIGO/Virgo по результатам открытия опубликованы в начале сентября 2020 года и свободно доступны в Physical Review Letters и Astrophysical Journal Letters.
Гравитационные волны (возмущения пространства-времени при движении тел с массой) пока удаётся зафиксировать при слиянии, или гравитационном коллапсе, двух массивных космических объектов. Это могут быть чёрные дыры, звёзды или даже пары «звезда — чёрная дыра». Объекты в паре всегда имеют некоторый вращательный момент и при слиянии под действием притяжения они закручиваются вокруг своего центра масс с увеличивающейся скоростью. Общая теория относительности предсказывает, что такое движение с неравномерным ускорением приводит к излучению части энергии в виде гравитационных волн аналогично тому, как движущийся с ускорением электрический заряд излучает электромагнитные волны (явление, знакомое в быту: на этом принципе работают кинескопы и рентгеновские трубки). Но гравитационное взаимодействие намного слабее электромагнитного. Поэтому такой механизм работает прежде всего для компактных систем, например, пары близких нейтронных звёзд, которые могут коллапсировать за разумное время — в течение нескольких миллионов лет. Обычные парные звёздные системы теряют энергию по этому сценарию слишком медленно. Например, мощность гравитационного излучения системы «Солнце — Юпитер» должна составить около 5 Вт — несоизмеримо меньше по сравнению с энергией пары; такие потери нереально зафиксировать инструментально.
Впервые в истории науки гравитационный импульс был зафиксирован в сентябре 2015 года (официальное заявление коллаборации LIGO об открытии сделано позже, в начале 2016 года). О том, что это именно импульс гравитационной волны от удалённого источника, говорит его фиксация одновременно на двух детекторах проекта LIGO (Laser Interferometer Gravitational Waves Observatory), размещённых далеко друг от друга — вблизи городков Ливингстон и Хэнфорд на юге и севере США. Источником этого первого всплеска было слияние двух чёрных дыр массой около 30 масс Солнца на расстоянии 400 мегапарсек, и детектор поймал последние 5 оборотов этой системы перед слиянием. В процессе столкновения чёрных дыр выделилась энергия, эквивалентная трём солнечным массам. За открытие гравитационных волн в 2017 году присуждена Нобелевская премия по физике.
Впоследствии на детекторах коллабораций LIGO и его европейского аналога Virgo в Италии обнаружили на сегодня около полутора десятков таких «подтверждённых» всплесков плюс ещё несколько десятков событий-кандидатов или событий на пределе детектирования. О локализации таких событий пока речи не идёт — обычно удаётся в лучшем случае установить направление на объект с точностью до созвездия. А самый первый открытый в 2015 году всплеск вообще локализуется как «примерно в южном небе». Недавний всплеск GW190521 особенно интересен из-за предполагаемых масс участвующих чёрных дыр. Теоретические модели эволюции массивных звёзд предсказывают, что чёрные дыры с массой в диапазоне от около 65 до 135 масс Солнца (M☉) в компактных двойных звёздных системах не могут сформироваться в результате коллапса звезды — слишком массивные звёзды взрываются как Сверхновые, оставляя только рассеянный межзвёздный газ и пыль. Один из двух объектов массой 85 солнечных как раз находится в этом интервале. Это влечёт или необходимость пересмотра моделей звёздной эволюции, или принятие других сценариев возникновения чёрных дыр. В частности, это может быть «ступенчатый» сценарий: дыра с массой 85 M☉ сама образуется в результате слияния чёрных дыр меньшей массы или даже двух массивных звёзд. Но в этом случае нужно предположить, что существуют плотные звёздные области со множеством таких объектов, где события слияния происходят достаточно часто.
Масса результирующего объекта 142 M☉ — больше, чем все открытые до сих пор чёрные дыры этого типа. Такое событие может стать значимой находкой для астрономов. Раньше обнаруженные и наблюдаемые по различным косвенным признакам чёрные дыры чётко разделялись на два «класса» размеров. На одном конце спектра были чёрные дыры размером в несколько (до 100) солнечных масс, называемые «чёрными дырами звёздной массы» — это объекты, образующиеся, в частности, как конечная стадия эволюции части очень массивных звёзд. Вероятно, их достаточно много — существенная доля от общего количества звёзд, но их сложнее обнаружить. Ближайшая из таких недавно открытых чёрных дыр находится в 1000 световых годах от Солнечной системы (про это есть недавняя статья). С другой стороны — «сверхмассивные чёрные дыры» массой в миллиарды масс Солнца, которые часто являются центром галактик. Во многих галактиках, включая нашу, есть такие объекты, а в некоторых их может быть две или даже три (см. отдельную статью; считается, что такие образования получаются в процессе слияния двух или трёх отдельных галактик со своими чёрными дырами). Первая «фотография» чёрной дыры, полученная в 2019 году, вернее, изображение её аккреционного диска (структуры, вызванной закручиванием рассеянного материала, например, межзвёздного газа, вокруг массивного объекта в процессе падения на него) — это комбинированный снимок в диапазоне радиоволн именно такого объекта в центре одной из галактик — M87.
Разделение чёрных дыр на два «класса», скорее всего — артефакт из-за возможностей астрономии и используемых методов наблюдений. Чёрные дыры промежуточной массы, то есть в диапазоне от ста до ста тысяч масс Солнца предположительно должны встречаться в существенном количестве, но обнаружить их не удавалось. Рассматриваются несколько сот таких объектов (например, см. мартовское сообщение центра Годдарда NASA), но пока они ещё считаются неподтверждёнными кандидатами. Предполагается, что они могут существовать и в некоторых шаровых звёздных скоплениях, включая относительно близкое такое скопление — спутник ближайшей крупной галактики Андромеда. Но GW190521 — первое событие, в котором такой объект обнаружен прямым наблюдением.
Возможно, сверхмассивные чёрные дыры в центре галактик тоже образуются в результате последовательного слияния множества дыр разного происхождения, от звёздных до пока таких малоизвестных объектов промежуточной массы.
Численное моделирование слияния двух чёрных дыр для события GW190521. N. Fischer, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Max Planck Institute for Gravitational Physics), Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) Collaboration.
