23 ноября 2023 года детекторы LIGO зарегистрировали гравитационные волны от необычного слияния двух черных дыр. Событию присвоили обозначение GW231123, и оно сразу привлекло внимание астрономов необычно большими оцененными массами его участников.
Согласно первоначальному анализу, в слиянии участвовали черные дыры массами примерно 140 и 100 масс Солнца. Итоговый объект после слияния оказался еще массивнее — его масса оценивается более чем в 225 масс Солнца. Такие параметры поставили перед астрофизиками серьезную проблему: черные дыры подобной массы трудно получить в результате обычной эволюции одиночных массивных звезд. Особенно необычным выглядело сочетание большой массы и быстрого вращения обеих черных дыр.
Теперь предложено другое объяснение. Возможно, сами черные дыры были существенно легче, чем показал первоначальный анализ, а зарегистрированный сигнал изменился по дороге к Земле. Его могло усилить и исказить гравитационное линзирование — воздействие массивного объекта или распределения вещества, находившегося между источником и Землей.
В таком случае речь идет не о нарушении известных представлений об образовании черных дыр, а о необычном эффекте распространения гравитационных волн через искривленное пространство-время. Расчеты показывают, что с учетом такого линзирования GW231123 можно объяснить слиянием черных дыр с суммарной массой около 140 масс Солнца, а не примерно 240 масс Солнца, как следовало из исходной интерпретации. Однако сама гипотеза линзирования пока не подтверждена наблюдательно.
Почему GW231123 оказался настолько необычным
Массы черных дыр попали в проблемный диапазон
Гравитационные волны от GW231123 были зарегистрированы двумя американскими детекторами LIGO. Сигнал соответствовал слиянию черных дыр с необычно большой суммарной массой. Опубликованный анализ LVK оценил массы компонентов примерно в 137 и 103 массы Солнца, хотя диапазоны неопределенности достаточно широки. Для первой черной дыры 90-процентный доверительный интервал составлял примерно 120–159 масс Солнца, а для второй — около 51–123 масс Солнца.
Особенно интересно то, что эти значения пересекаются с так называемым разрывом масс черных дыр. В стандартных моделях эволюции очень массивных звезд существует диапазон примерно от 60 до 130 масс Солнца, в котором черные дыры звездного происхождения должны встречаться редко.
Причина связана с парной неустойчивостью. На определенном этапе эволюции очень массивного звездного ядра высокоэнергетические фотоны могут превращаться в пары электронов и позитронов. Это меняет давление внутри звезды и способно привести к крайне мощному термоядерному процессу. В зависимости от массы ядра результатом может стать взрыв, полностью разрушающий звезду, либо последующий коллапс. Поэтому образование черных дыр определенного диапазона масс обычным звездным путем оказывается затрудненным.
Именно поэтому появление сразу двух черных дыр с массами порядка сотни масс Солнца вызвало вопросы о происхождении системы. Наблюдение могло указывать на более сложные каналы формирования — например, последовательные слияния черных дыр в плотной звездной среде. Но такие сценарии должны объяснять не только массу объектов, но и другие параметры GW231123.
Необычным было и быстрое вращение
Масса — не единственная особенность события. По данным анализа гравитационного сигнала, обе черные дыры, участвовавшие в слиянии, могли обладать большим безразмерным параметром вращения.
Для первой компоненты получена оценка вращения около 0,9, для второй — около 0,8, хотя неопределенности по этим параметрам также значительны.
Высокое вращение дополнительно усложняет картину. В обычном сценарии, когда две черные дыры образуются непосредственно из двух массивных звезд, их параметры должны быть согласованы с эволюцией звездных предшественников. Если же черные дыры формируются в результате предыдущих слияний, быстрое вращение может появляться естественным образом, но тогда возникает вопрос о существовании достаточно плотной среды и цепочки последовательных объединений.
Таким образом, GW231123 выглядел как система, для которой требовалось искать нестандартный канал формирования.
Но проблема могла возникнуть не в самих черных дырах
Ключевая идея нового исследования заключается в том, что при интерпретации гравитационной волны необходимо учитывать не только источник, но и путь, который сигнал проделал от источника до Земли.
Гравитационные волны распространяются через пространство-время. Если между источником и наблюдателем находится достаточно массивная структура, она может изменить распространение волны. Это явление называют гравитационным линзированием.
Подобный эффект хорошо известен в обычной оптической астрономии. Массивная галактика или скопление галактик способно искривить траекторию света от более далекого объекта. Благодаря этому удаленная галактика может казаться ярче, а иногда ее изображение может разделяться на несколько изображений.
Гравитационные волны также испытывают влияние гравитационного поля промежуточных объектов. Но у них есть важное отличие от света: длины гравитационных волн могут быть очень большими. Поэтому при достаточно компактном объекте становится существенной не только геометрическая часть линзирования, но и волновые эффекты — дифракция и интерференция.
Именно этот эффект рассматривается как возможное объяснение необычного сигнала GW231123.
Как линзирование могло изменить оценку массы
Гравитационная волна сама по себе не сообщает детектору напрямую массу черных дыр. Массы восстанавливаются путем сравнения зарегистрированной формы сигнала с теоретическими моделями.
При этом форма сигнала зависит от его амплитуды, частоты, изменения частоты во времени, вращения черных дыр и других параметров. Если предположить, что сигнал распространялся без существенного воздействия промежуточных объектов, можно получить одну оценку характеристик источника.
Но если волна подверглась линзированию, зарегистрированный сигнал может отличаться от ожидаемого для свободно распространяющегося сигнала.
В результате алгоритм, который не учитывает линзирование, способен приписать источнику неправильные параметры. В частности, усиленный и измененный сигнал может интерпретироваться как результат более массивного слияния.
Именно такой сценарий исследователи применили к GW231123. Они разработали модель, позволяющую учитывать воздействие компактного гравитационного линзирующего объекта на форму зарегистрированной волны, а также создали программное обеспечение для проведения соответствующего анализа.
Что получилось после учета линзирования
Результат оказался существенным. Если предположить, что гравитационные волны GW231123 были искривлены и дифрагировали на промежуточном объекте, исходная система могла быть значительно менее массивной.
В рассматриваемой модели общая масса исходной двойной системы составляет около 140 масс Солнца, тогда как без учета линзирования она оценивалась примерно в 240 масс Солнца. Таким образом, значительная часть необычности события может исчезнуть просто потому, что первоначально была неправильно оценена переданная от источника информация.
Важным результатом стало и то, что при линзированной интерпретации нет необходимости приписывать черным дырам настолько экстремальное вращение. Это делает происхождение системы менее проблематичным с точки зрения известных сценариев формирования черных дыр.
Однако это не означает, что теперь установлено: GW231123 действительно является линзированным сигналом. Исследование показывает, что такой сценарий способен воспроизвести наблюдаемые особенности события.
Что такое гравитационная линза в данном случае
Массивный объект может искривить путь волны
В общей теории относительности массивные объекты изменяют геометрию пространства-времени вокруг себя. Свет, проходящий рядом с таким объектом, движется по искривленной геометрии и поэтому может отклоняться от прямолинейной траектории.
С гравитационными волнами происходит аналогичный процесс. Их распространение также зависит от геометрии пространства-времени.
Если между источником и Землей находится достаточно массивный объект, сигнал может получить дополнительное усиление или изменение формы. При определенных условиях разные части волнового сигнала могут взаимодействовать друг с другом, создавая интерференционные особенности.
Для GW231123 особенно важен именно волновой характер этого эффекта. Поэтому простого представления о «увеличительном стекле» недостаточно: речь идет о физическом изменении того, как гравитационная волна распространяется через искривленное пространство-время.
Линза не обязана быть огромной галактикой
В обычной астрономии гравитационные линзы часто связаны с галактиками и скоплениями галактик. Но для гравитационных волн возможны и более компактные линзирующие объекты.
В моделировании GW231123 рассматривался компактный объект с массой примерно от 190 до 850 масс Солнца. Также рассматривалась более протяженная структура, например шаровое звездное скопление.
Это важная особенность предложенного сценария. Если бы для объяснения сигнала требовалось обычное крупное скопление галактик, поиск подходящей структуры был бы одной задачей. Но компактная линза массой в сотни масс Солнца представляет собой гораздо более редкий и пока не до конца понятный объект.
Поэтому новая гипотеза одновременно снимает одну проблему и создает другую: если необычно большая масса черных дыр является следствием линзирования, необходимо понять, что именно сыграло роль линзы.
Где могла находиться линза
Точное положение и природа предполагаемого линзирующего объекта пока неизвестны.
Один из рассматриваемых вариантов — компактный объект с массой от нескольких сотен масс Солнца. Теоретически подобную роль могли бы играть некоторые промежуточные черные дыры или другие достаточно плотные структуры.
Другой вариант связан с протяженной системой, например шаровым скоплением. В таком случае сигнал мог взаимодействовать не с одним компактным объектом, а с распределением вещества.
Однако для каждого из этих сценариев существуют ограничения. Компактные объекты с массами порядка 100–1000 масс Солнца считаются редкими. Поэтому для подтверждения гипотезы необходимо показать не только то, что такая линза математически способна воспроизвести сигнал, но и то, что подобные объекты могут существовать в достаточном количестве и с нужной геометрией.
Авторы исследования прямо отмечают, что природа линзы остается нерешенной проблемой. В дальнейшем предстоит выяснить, может ли такой объект действительно сформироваться или наблюдаемый эффект способна создать совокупность более легких объектов, включая звезды.
Почему это не просто способ «спрятать» проблему
На первый взгляд может показаться, что линзирование лишь добавляет дополнительную гипотезу вместо решения исходной проблемы. В некотором смысле так и есть: теперь необходимо объяснить существование самой линзы.
Но физический смысл результата гораздо шире. GW231123 показывает, насколько важно учитывать распространение гравитационных волн при попытках восстановить свойства очень необычных источников.
Для большинства зарегистрированных слияний воздействие линзирования может быть слишком слабым, чтобы заметно изменить выводы. Но по мере увеличения расстояния до источника и чувствительности детекторов вероятность обнаружения подобных эффектов будет возрастать.
Поэтому гравитационное линзирование может стать не только помехой, но и отдельным источником информации.
Гравитационные волны могут стать инструментом поиска невидимого вещества
Если линзирование гравитационных волн удастся надежно обнаруживать, сами волны можно будет использовать для изучения объектов, которые плохо или вообще не видны обычными телескопами.
Свет взаимодействует с веществом: он может поглощаться, рассеиваться или излучаться. Гравитационные волны ведут себя иначе и могут проходить через огромные космические расстояния практически без такого воздействия. Их основным способом изменения траектории остается гравитационное влияние массивных структур.
Это создает потенциально новый метод исследования распределения вещества между источником и Землей.
Особенно интересны компактные структуры, которые трудно обнаружить непосредственно. Если они будут оставлять характерные признаки в гравитационных сигналах, астрономы смогут искать их не по свету, а по тому, как они изменяют проходящие через них волны.
Исследования линзированных гравитационных волн уже рассматриваются как один из способов изучения маломасштабной структуры темной материи. Однако GW231123 пока нельзя считать подтвержденным примером такого использования.
Почему для гравитационных волн особенно важны дифракция и интерференция
Обычное гравитационное линзирование часто описывают геометрически: луч отклоняется под действием гравитационного поля. Для гравитационных волн такой подход работает не всегда.
Если размер характерной линзирующей структуры сопоставим с длиной волны, начинает играть роль волновая природа излучения. Волна может дифрагировать и интерферировать сама с собой после прохождения различных путей.
В результате форма зарегистрированного сигнала может содержать дополнительные особенности, которых не было бы при свободном распространении.
Именно поэтому GW231123 представляет особый интерес. Его необычные параметры могут быть связаны не только с характеристиками источника, но и с особенностями распространения сигнала.
Если подобные эффекты удастся надежно распознавать, гравитационно-волновая астрономия получит дополнительный способ исследовать структуру пространства между источником и Землей.
Что было известно о GW231123 до появления новой гипотезы
Первоначальная интерпретация события уже сама по себе была важной. GW231123 стал самым массивным из известных на тот момент слияний двойных черных дыр, зарегистрированных по гравитационным волнам. Суммарная масса исходной системы оценивалась в диапазоне примерно 190–265 масс Солнца, а масса образовавшейся после слияния черной дыры превышала 225 масс Солнца.
Такое событие представляло интерес для теорий формирования черных дыр. Одним из возможных объяснений могло быть последовательное слияние черных дыр в плотной звездной среде. При таком процессе уже существующие черные дыры объединяются, образуя более массивные объекты, которые затем могут снова участвовать в слияниях.
Именно такой механизм способен постепенно перемещать черные дыры в область масс, где их трудно получить непосредственно из коллапса звезд.
Однако для конкретного события необходимо учитывать весь набор измеренных параметров. Большая масса и высокие оценки вращения делали его особенно сложным объектом для интерпретации.
Новая работа показывает, что прежде чем строить сложный сценарий рождения столь необычной системы, необходимо проверить более фундаментальный вопрос: действительно ли сигнал соответствует объектам с такими массами.
Есть и другие возможные объяснения необычного сигнала
Важно не создавать впечатление, будто гипотеза гравитационного линзирования уже стала единственным объяснением GW231123.
В 2026 году были опубликованы и другие исследования, обращающие внимание на необычные свойства этого события. Например, один анализ рассматривал возможность того, что зарегистрированный сигнал мог быть связан с перекрывающимися гравитационными сигналами, а не с одним изолированным слиянием. В зависимости от использованной модели авторы получили существенную статистическую поддержку модели с двумя перекрывающимися сигналами.
Это важно, поскольку параметры GW231123 имеют заметную зависимость от выбранной модели формы гравитационной волны. В опубликованном анализе самого события также отмечалось наличие значительных систематических неопределенностей.
Поэтому сегодняшняя картина выглядит не как окончательно решенная загадка, а как активная область исследований, где проверяются несколько физических объяснений одного необычного сигнала.
Может ли GW231123 стать первым линзированным гравитационным сигналом
Пока утверждать это нельзя.
Исследователи, изучившие линзированную интерпретацию GW231123, не считают имеющиеся данные достаточными для окончательного заявления, что событие действительно было подвергнуто гравитационному линзированию. Более того, сам факт того, что линзированные события должны быть редкими, необходимо учитывать при статистической проверке гипотезы.
Есть и еще одна сложность. Если предположить, что линзой был изолированный компактный объект с массой порядка тысячи масс Солнца, вероятность случайно получить подходящую конфигурацию может оказаться небольшой. Расчеты с учетом известных популяций промежуточных черных дыр показывают, что такой сценарий может быть сильно подавлен. Для некоторых моделей компактных темных гало ситуация менее однозначна, но и они требуют специфических физических условий.
Следовательно, одной способности модели воспроизвести форму сигнала недостаточно. Необходимо также показать, что предложенный механизм реалистичен с точки зрения распространенности линзирующих объектов.
Что помогут выяснить будущие наблюдения
Для проверки гипотезы необходима большая выборка гравитационно-волновых событий. Один необычный сигнал трудно однозначно интерпретировать, особенно когда несколько физических моделей способны приблизительно описать одни и те же данные.
Если будущие детекторы зарегистрируют другие сигналы с признаками гравитационного линзирования, появится возможность сравнивать их между собой. Повторяемость характерных особенностей станет важным аргументом в пользу реальности эффекта.
Кроме того, повышение чувствительности гравитационных обсерваторий увеличит число обнаруживаемых слияний и позволит изучать более слабые сигналы. Именно увеличение статистики событий должно помочь отделить редкие физические эффекты от особенностей отдельных измерений. Само исследование GW231123 указывает на необходимость будущих улучшений чувствительности детекторов для поиска и уверенной идентификации линзированных гравитационных волн.
Перспективным направлением станет и совместный поиск линзирующего объекта. Если удастся определить область неба и расстояние до источника достаточно точно, астрономы смогут искать потенциальную линзу среди галактик, звездных скоплений и других массивных структур.
От «невозможной» черной дыры к новой проверке гравитации
История GW231123 показывает важную особенность современной гравитационной астрономии. Когда наблюдаемый объект не укладывается в привычные модели, проблема может находиться не только в физике самого объекта.
В данном случае первоначальная интерпретация указывала на две чрезвычайно массивные и быстро вращающиеся черные дыры. Это требовало объяснения их происхождения и заставляло рассматривать необычные каналы формирования.
Теперь появилась другая возможность: сами черные дыры могли быть существенно менее массивными, а зарегистрированный сигнал изменился во время распространения к Земле. В предложенной модели гравитационное линзирование способно превратить обычное по своим параметрам слияние в событие, которое при анализе без учета линзы выглядит гораздо более экстремальным.
При этом новая гипотеза не решает загадку окончательно. Необходимо доказать, что подходящая линза действительно могла существовать, оценить вероятность такого расположения объектов и найти независимые признаки линзирования.
Поэтому GW231123 пока остается необычным и не до конца объясненным событием. Но именно такие случаи показывают, что гравитационные волны способны сообщать астрономам гораздо больше, чем просто информацию о столкновении черных дыр. Их форма может нести сведения и о пространстве-времени, через которое сигнал прошел на пути к Земле.
Если гипотеза подтвердится для GW231123 или аналогичных событий, гравитационное линзирование превратится из потенциальной причины ошибок при определении параметров черных дыр в самостоятельный инструмент исследования Вселенной. Тогда по искажениям гравитационных волн можно будет изучать невидимые и компактные структуры, расположенные между источниками и Землей, а сами слияния черных дыр станут своеобразными космическими зондами структуры пространства-времени.
Источники:
Статья создана по материалам Space.com
