Цивилизация
Сразу два события из области изучения гравитационных волн произошли накануне, причем второе, пока официально не подтвержденное, тянет на сенсацию. Группа британских и американских астрофизиков, возглавляемых Уиллом Фарром из Школы физики и астрономии Бирмингемского университета (Великобритания), в своей статье сумела описать, как уже имеющиеся наблюдения гравитационных волн ограничивают возможные сценарии образования черных дыр.
Уилл Фарр и его коллеги из Университета штата Мэриленд, Чикагского университета и Института теоретической физики им. Кавли (США) анализировали данные по вращению сливающихся черных дыр, добытые с помощью LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) — лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерваторией. Три подобных события зарегистрированы в 2015 году, и еще один возможный кандидат пришелся на 2017 год.
Черные дыры — на самом деле очень простые объекты, полностью описывающиеся всего несколькими параметрами — массой, скоростью вращения и электрическим зарядом. Для пары черных дыр добавляется еще их взаимное вращение. И на скорость их вращения, конечно, накладывается естественное ограничение, поскольку горизонт событий — граница черной дыры для окружающего мира, из-под которой не может выбраться ни один материальный объект, даже свет, — не может вращаться быстрее скорости света.
В нашей галактике с помощью традиционных средств мы можем наблюдать лишь отдельные проявления деятельности черных дыр, вокруг которых вращаются звезды-компаньоны, однако только непосредственная регистрация гравитационных волн может нести критически важную информацию о их происхождении.
Первые гравитационные волны были зарегистрированы 14 сентября 2015 года двумя независимыми детекторами LIGO, расположенными в Ливингстоне (штат Луизиана, США) и Ханфорде (штат Вашингтон). Астрофизики долгие десятилетия с нетерпением ждали этого события. Они пришли к выводу, что волны испущены в последние доли секунды перед слиянием пары черных дыр, образовавших в результате более массивный и быстро вращающийся объект. До 2015 года возможность столкновения черных дыр была лишь предсказана, но никогда не наблюдалась непосредственным образом. Гравитационные волны, таким образом, представили лучший и пока единственный способ изучения популяций двойных черных дыр звездной массы за пределами нашей галактики.
Проблемой остается понимание механизмов астрофизического происхождения этих черных дыр.
Считается, что за время существования Вселенной в каждой галактике могут образоваться десятки миллионов пар черных дыр, однако большинство подобных систем либо быстро распадается, либо оказывается недостаточно тесными для того, чтобы произошло слияние за время, сопоставимое с возрастом Вселенной. Слияние как раз и происходит за счет того, что система теряет кинетическую энергию, переизлучая ее в виде гравитационных волн — массивные объекты постепенно падают друг на друга по спирали.
Если говорить о механизмах объединения черных дыр в связанные пары, то тут могут быть три основные возможности. Объекты могут изначально рождаться вместе в результате коллапса пары массивных звезд, прошедших совместно все стадии звездной эволюции. Собственные скорости вращения подобных черных дыр, скорее всего, будут относительно высокими, а орбитальный момент — коррелировать с осями вращения каждой звезды. А вот если собственное вращение объектов никак не согласовано с обращением одной черной дыры вокруг другой, то это может означать, что они рождались в разных местах и сближение происходит уже после того, как звезды стали черными дырами. Подобное может случаться в тесных звездных системах, например в шаровых скоплениях.
Еще один вариант состоит в том, что часть черных дыр может оказаться первородными, то есть изначально присутствовать в нашей Вселенной со времен Большого взрыва — возникнуть вскоре после него благодаря первоначальным колебаниями плотности материи. Этот сценарий образования черных дыр имеет самые далеко идущие последствия с точки зрения космологии, поскольку первородные черные дыры могут принимать на себя изрядную долю скрытой массы.
Ну и в конце концов, может быть так, что разные механизмы реализуются с сопоставимыми вероятностями — тогда мы будем иметь случаи как относительно медленно вращающихся пар черных дыр, рожденных в «звездных теснинах», так и пар быстрых и согласованно вращающихся черных дыр, рожденных в рамках двойных (и кратных) звездных систем.
Согласно новым оценкам, приведенным в журнале Nature от 24 августа, с помощью всего лишь десяти дополнительных случаев наблюдения слияния черных дыр мы сможем с уверенностью говорить об основных механизмах происхождения двойных дыр. Ранее считалось, что для достижения такого уровня уверенности потребуется гораздо большее число наблюдений. Пока же результаты показывают, что мы, вероятно, имеем дело с несогласованным собственным вращением объектов в парах исследованных черных дыр, то есть слияния происходили у черных дыр, до своего объединения эволюционировавших в разных местах.
В сопроводительной статье в том же номере Nature за авторством Стейна Сигурдссона утверждается, что окончательная проверка основных теорий образования пар черных дыр,
вероятно, будет произведена в самом ближайшем будущем.
«Представляя два сценария наблюдаемого поведения пар черных дыр и исключая другие возможности, мы пытаемся подобрать лучшее объяснение образованию черных дыр», — говорит руководитель группы доктор Уилл Фарр из Бирмингемского университета.
«Мы будем знать, какое объяснение окажется правильным, в течение ближайших нескольких лет, — вторит ему профессор Илья Мандель из того же университета. — Это то, что становится возможным лишь благодаря недавнему обнаружению гравитационных волн с помощью LIGO. И это только начало. Я уверен, что в самом ближайшем будущем мы будем рассматривать эти первые случаи обнаружения гравитационных волн и рудиментарных моделей с изрядной ностальгией и намного лучше поймем, как формируются эти экзотические двойные системы».
Новые источники
Следующей важной вехой в регистрации гравитационных волн для ученых должно стать открытие аналогичных сигналов, пришедших от слияния не черных дыр, а нейтронных звезд. Сложность в том, что, по расчетам, амплитуда таких сигналов значительно ниже. Поэтому для их регистрации требуется более высокая чувствительность.
Астрономы предполагали, что регистрация всплесков от слияния нейтронных звезд может быть получена уже в 2017 году.
Повышение чувствительности поиска ученые связывали с вводом в строй VIRGO — европейского детектора гравитационных волн вблизи итальянского города Пиза. Очередной цикл наблюдений начался в ноябре 2016 года, когда дальнейшее улучшение чувствительности детекторов позволило LIGO увеличить объем зондируемой Вселенной в 1,5–2 раза.
И похоже, надежды ученых сбываются. 18 августа астроном Крейг Уиллер из Университета Техаса в Остине намекнул в «Твиттере» о новом сигнале с LIGO, у которого удалось зафиксировать оптический компонент.
New LIGO. Source with optical counterpart. Blow your sox off!
— J Craig Wheeler (@ast309) 18 августа 2017 г.
Это означает, что источник гравитационного всплеска был отождествлен также в оптическом диапазоне. Теоретические расчеты как раз показывают, что в случае слияния двух нейтронных звезд, действительно, процесс может быть виден в оптике.
Еще один загадочный твит написал астроном Энди Хоуэлл из Обсерватории Лас-Кумбрес: «Сегодня одна из тех ночей, когда астрономические наблюдения лучше, чем любая история, когда-либо кем-то рассказанная».
Известно, что вскоре после появившихся сообщений многие оптические телескопы, в том числе космический Hubble, стали наблюдать за галактикой NGC 4993 в 130 млн световых лет от нас, в которой имеются сливающиеся нейтронные звезды,
— возможно, именно там находится источник долгожданного сигнала.
Интриги добавил и официальный представитель коллаборации LIGO Дэвид Шумейкер, который не подтвердил и не опроверг появившиеся слухи.
«Весьма волнительный наблюдательный прогон О2 (который начался в ноябре 2016 года) завершится 25 августа. Мы с нетерпением ждем, чтобы в это время опубликовать обновления», — заявил он в интервью изданию New Scientist. Впрочем, в случае с первым обнаружением сигнала от слившихся черных дыр сенсация тоже началась со слухов, и лишь значительно позднее в коллаборации LIGO официально заявили об открытии.