Зафіксовано злиття найважчих чорних дір в історії спостережень

Астрофізики з міжнародної співпраці LIGO-Virgo-KAGRA зафіксували злиття двох чорних дір з найвищою загальною масою за всю історію спостережень. Подія, позначена як GW231123, була виявлена 23 листопада 2023 року за допомогою двох детекторів Лазерно-інтерферометричної гравітаційно-хвильової обсерваторії Національного наукового фонду США. Результатом злиття стала чорна діра масою понад 225 мас Сонця.

Детектори LIGO зробили історичний прорив у 2015 році, коли вперше безпосередньо зареєстрували гравітаційні хвилі — брижі у просторі-часі. Тоді хвилі походили від злиття чорних дір, яке призвело до утворення кінцевої чорної діри масою у 62 рази більшою за масу Сонця. Сигнал був зафіксований одночасно двома детекторами LIGO — одним у Лівінгстоні, штат Луїзіана, та іншим у Ганфорді, штат Вашингтон.

З того часу команда LIGO об'єдналася з партнерами з детектора Virgo в Італії та детектора гравітаційних хвиль Каміока в Японії, сформувавши співпрацю LVK. Ці детектори спільно зафіксували понад 200 злиттів чорних дір під час четвертого циклу спостережень та близько 300 загалом з початку першого циклу у 2015 році.

До цього найважчим злиттям чорних дір вважалася подія 2021 року під назвою GW190521, яка мала загальну масу у 140 разів більшу за масу Сонця. У випадку GW231123 чорна діра масою 225 мас Сонця утворилася внаслідок злиття чорних дір масою приблизно 100 та 140 мас Сонця відповідно.

Це відносить об'єкт до рідкісної категорії чорних дір проміжної маси — важчих за ті, що утворюються внаслідок колапсу зірок, але значно легших за надмасивні чорні діри, які знаходяться в центрах галактик. Окрім високих мас, чорні діри, що зливалися, також швидко оберталися.

Доктор Марк Ганнам, астрофізик з Кардіффського університету та член співпраці LVK, зазначив, що це найважча подвійна система чорних дір, яку спостерігали через гравітаційні хвилі, і вона становить справжній виклик для розуміння процесів утворення чорних дір. За його словами, чорні діри такої маси заборонені стандартними моделями зіркової еволюції.

Одна з можливостей полягає в тому, що дві чорні діри в цій подвійній системі утворилися через попередні злиття менших чорних дір. Це спостереження знову демонструє, як гравітаційні хвилі унікальним чином розкривають фундаментальну та екзотичну природу чорних дір у всьому Всесвіті, зауважив доктор Дейв Рейтце, виконавчий директор LIGO в Каліфорнійському технологічному інституті.

Відкриття GW231123 було представлено на 24-й Міжнародній конференції з загальної теорії відносності та гравітації та 16-й конференції Едоардо Амальді з гравітаційних хвиль, які проходили спільно на зустрічі GR-Amaldi в Глазго, Шотландія.

Детектори гравітаційних хвиль працюють за принципом лазерної інтерферометрії, вимірюючи надзвичайно малі зміни в довжині плечей L-подібних установок, спричинені проходженням гравітаційних хвиль. Ці зміни настільки мізерні, що становлять лише частку від діаметра протона, що робить їх виявлення технологічним дивом сучасної науки.

Злиття чорних дір проміжної маси становить особливий інтерес для астрофізиків, оскільки такі об'єкти можуть служити «мостом» між чорними дірами зіркової маси та надмасивними чорними дірами. Розуміння їх утворення та еволюції може пролити світло на процеси, які відбувалися в ранньому Всесвіті та призвели до формування сучасної космічної структури.

Швидке обертання чорних дір у системі GW231123 також надає цінну інформацію про їх походження та еволюцію. Високий спін може вказувати на специфічні умови утворення або попередню історію взаємодій з іншими об'єктами.

Це відкриття підкреслює важливість міжнародної співпраці в галузі гравітаційно-хвильової астрономії та демонструє, як технологічні досягнення дозволяють досліджувати найекстремальніші об'єкти у Всесвіті. Кожне нове виявлення розширює наше розуміння космосу та фундаментальних законів фізики.